КОНСТРУКТОР ИЗ ЭЛЕКТРОННЫХ КУБИКОВ

Человечество издавна стремилось облегчить себе жизнь, перекладывая по возможности решение задач, которые перед ним возникали, на всякого рода технические устройства. А чтобы такая «спихотехника» давала ощутимый результат, оно стало работу для «неодушевленных исполнителей» дробить — превращать в последовательность элементарных действий с соответствующими (типовыми!) функциями. В результате осуществление множества программ все больше напоминало сборку конструкций из универсального набора «кубиков» — логических элементов автоматики. Реализуется такая «логика» в наш компьютерный век обычно в специальных микросхемах (МС), начиненных миниатюрнейшими транзисторами, полупроводниковыми диодами и другими достижениями электроники.

Наиболее распространенными и, что немаловажно, доступными по цене являются отечественные логические микросхемы серии К155. В состав многих из них входят несколько ячеек типа «И-НЕ». Это значит, что при поступлении на соответствующие входы сигналов так называемого «высокого уровня напряжения — логической единицы» на выходе установится «низкий уровень — логический нуль». Когда же на ячейках требуется выполнить логическую операцию «И» (реализовать схему совпадения, аналогичную изображенной на поз.1 рис.1), прибегают к техническому решению, представленному на рис. 2, где цифры обозначают номера выводов МС.

Стандартный набор серии К155 включает в себя микросхемы с разным количеством одноименных входов у ячеек. В частности, К155ЛА2 — это по сути готовый логический элемент с двенадцатью (!) входами, работающими на один только выход. Для целого ряда устройств такая МС является сущим кладом. Тем более что оказывающиеся (в каком-либо конкретном схемном решении) «избыточными» входы можно легко объединять подобно тому, как это сделано в уже рассмотренном нами случае (реализация функции «И» на двух ячейках МС К155ЛА3). Но вполне возможен и иной путь: с подачей на «лишние» входы нормированного напряжения (скажем, от источника электропитания), соответствующего логической единице.

Нелишне, думается, отметить, что для обеспечения четкости работы (и по ряду других причин) микросхемам крайне желательно стабилизированное напряжение питания. Для МС серии К155 оно должно выдерживаться в пределах 5 В+5%. Уровни сигналов логической единицы (логического нуля) также жестко нормированы: они не могут быть менее 2,4 В (и, соответственно, более 0,4 В). Причем строгость этих требований вполне оправдана. Хотя бы тем, что соблюдение «ограничений по вольтажу» позволяет легко осуществлять соединение рассмотренных выше «кубиков» автоматики друг с другом без ввода дополнительных согласующих элементов.

Зная, как действуют логические ячейки типа «И-НЕ», нетрудно разобраться и в особенностях работы смонтированного из них спускового устройства с двумя устойчивыми состояниями (триггера).

Причем — со счетным входом (рис.3). В исходном состоянии на выходе 1 у такого «кубика» автоматики будет держаться сигнал высокого уровня напряжения, а на выходе 2 — низкого. Поступление импульса на первый вход незамедлительно переключит триггер. Да так, что выходные сигналы поменяются местами. Приход же следующего импульса вернет схему в прежнее (исходное) состояние. В нем триггер будет находиться до поступления очередного сигнала. И так — до бесконечности. Точнее, пока «живы» элементы схемы, а сам триггер подключен к источнику электропитания.

Область применения рассмотренного устройства достаточно широка и многогранна. В частности, такой триггер может пригодиться для периодического включения-выключения автомобильного стеклоочистителя, небольшого нагревателя и другой маломощной нагрузки. Как раз там-то и сможет в полной мере реализовать себя заложенная в схему оригинальная техническая идея. А суть ее в том, чтобы при минимуме деталей (значит, с максимальной надежностью) использовать для коммутации сигнал только одного вида. Причем каждый очередной управляющий импульс, поступая по общей и неизменной цепи на триггер, будет четко инициировать срабатывание, противоположное предыдущему.

К сожалению, мощность сигнала на выходе устройств, подобных триггеру на микросхеме К155ЛА3, недостаточна, чтобы включить электромагнитное реле или, скажем, настольную лампу. Нужна специальная ступень усиления. Но это дело вполне поправимое. Как говорится, было бы желание…

А вот схема еще одного «кубика» современной автоматики — так называемого моновибратора (рис.4). В исходном состоянии на третьем и шестом выводах микросхемы К155ЛА3, являющейся для данного устройства базовой, — логическая единица, а на восьмом — логический ноль. Конденсатор С2 заряжен.

С подачей на вход короткого импульса произойдет переключение ячеек. Появляющееся при этом на выходе напряжение высокого уровня через диод VD1 станет удерживать всю схему в новом для нее состоянии даже после того, как сигнал запуска закончится. Точнее — до тех пор, пока конденсатор С2 не разрядится через резистор R1 и ячейка DD1.2 не вернется в то положение, в котором изначально находилась.

Заметим, что, несмотря на значительную емкость у С2, вся выдержка по времени не превысит 0,5 с. Объясняется это низким входным сопротивлением микросхемы К155ЛА3. Для получения более длительных выходных сигналов следует обратиться к использованию «логики» на МС серии К176. Наилучшие же по времени результаты способен дать другой «кубик» автоматики — таймер КР1006ВИ1. К нему мы вскоре вынуждены будем обратиться. А пока несколько попутных рекомендаций и практических советов.

Несмотря на то, что среди популярной серии К155 имеются (наряду с уже рассмотренными наборами элементарных логических ячеек) и специализированные МС (в виде готовых триггеров и прочих устройств, которые к тому же зачастую снабжаются дополнительными, весьма полезными на практике приспособлениями), ориентироваться новичкам на такие микросхемы вряд ли целесообразно. Хотя бы по причине особого включения столь сложной автоматики, обеспечения оптимального режима ее работы. Зато настоятельно рекомендуем при осуществлении первых своих технических задумок активнее использовать МС с более простой, отлично зарекомендовавшей себя на практике «логикой». Ну а к созданию оригинальных многофункциональных конструкций приступать лишь после тщательного освоения «азов» электроники.

Своеобразным переходным мостиком здесь может стать разработка, варианты принципиальной схемы и изготовления узлов которой, включая печатную плату, представлены на иллюстрациях. По замыслу автора это — доступное многим самодельное устройство, позволяющее осуществлять несколько довольно сложных функций. Например, вести автоматическое наблюдение за влажностью почвы в саду-огороде или автоматически управлять орошением земельного участка. Хотя (при оснащении соответствующими датчиками) самоделку с ничуть не меньшим успехом можно будет использовать, скажем, для отслеживания требуемого уровня освещенности в теплице, температуры в погребе и т.п.

Контроль за влажностью почвы основан на измерении электрического сопротивления между воткнутыми в нее (на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга) двумя металлическими электродами. А оно, как показывает практика, может изменяться в пределах 3 — 30 кОм. Причем в расчет здесь берутся не абсолютные показания «земельнорезисторного» датчика, а то, насколько отслеживаемый им в данный момент параметр превышает допустимый уровень, после которого необходим полив.

Электроды с почвой между ними являются плечом делителя напряжения (рис.5). А в качестве другого плеча, изменяя величину которого легко удается задавать требуемый уровень срабатывания всего устройства, выступает переменный резистор R1.

Поскольку высыхание почвы (следовательно, и рост ее электрического сопротивления) — процесс медленный, для четкой фиксации нужного момента использован тот из входов микросхемы-моновибратора DD1, который связан с триггером Шмитта. А у такого спускового устройства весьма интересная особенность. Ведь даже при самом плавном приближении входного напряжения к так называемому пороговому срабатывание все равно будет скачкообразным, с выдачей нормированного выходного сигнала. Он-то и включит моновибратор, дающий на выходе микросхемы импульс для перевода триггера (DD2.1, DD2.2) в очередное устойчивое состояние.

Перед началом «дежурства» триггер Шмитта должен быть установлен в исходное состояние нажатием кнопки SB1 так, чтобы на выводе 3 присутствовал логический нуль. Сработав под влиянием сигнала (от моновибратора) и как бы «запомнив» его, триггер подаст теперь на вход 10 ячейки DD2.3 напряжение высокого уровня, разрешающее работу данного звена.

DD2.3 и DD2.4 микросхемы К155ЛА3 совместно с С4 и резистором R5 образуют еще один «кубик» автоматики — так называемый мультивибратор. Его работа основана на периодических перезарядах конденсатора, вызывающих переключения ячеек МС. В итоге генерируются электрические колебания, форма которых близка к прямоугольной. Частота следования этих импульсов в нашем конкретном случае — звуковая.

К выходу мультивибратора присоединен усилительный каскад на транзисторе VT1, нагруженный динамической головкой ВА1. Ее звучание оповестит, что почва сухая и пора браться за ведра или шланг для полива. А если обслуживаемый огород оборудован к тому же дождевальной установкой с электронасосом, от нашего автомата можно получить еще большую отдачу. Потребуется лишь небольшое дополнение в виде собранного на микросхеме КР1006ВИ1 таймера, о достоинствах которого уже говорилось выше. В итоге будем иметь замкнутую систему автоматического поддержания влажности почвы в допустимых пределах, способную надежно работать и без неусыпного внимания со стороны хозяев.

Суть предлагаемого технического решения легко уяснить, воспользовавшись фрагментом схемы такого автомата полива (рис.6). Конечно же, доминирующее влияние на все оказывает оригинально вписавшаяся сюда МС КР1006ВИ1 с навесными элементами R10 и С7, обеспечивающая получение достаточно продолжительного (до нескольких десятков минут) выходного сигнала. При напряжении питания 12—15 В это позволяет непосредственно управлять нагрузкой с током потребления до 0,1 А. Например, обмоткой электромагнитного реле К1, чьи контакты и будут по мере необходимости автоматически «врубать» мощный электронасос.

Для перехода от контроля за влажностью почвы к режиму автоматического полива достаточно всего-навсего переключить тумблер SA1 из «положения «Сигн.» в «Авт.». В результате к измерительному тракту окажется подсоединенным таймер с исполнительным реле. Зато отключится звуковая сигнализация. Ее с успехом заменит светоизлучающий диод HL1, который загорится во время работы электронасоса.

Что же касается самого таймера, то здесь все идет, как говорится, без сучка и задоринки. Ведь запускается этот встроенный прибор кратковременным отрицательным перепадом напряжения, когда на выводе 6 триггера возникает «низкий уровень». А чтобы автомат мог, выдав порцию воды, возобновить свою работу сразу же или после подсыхания почвы, обеспечивается соответствующий возврат (в исходное состояние) микросхемы DD1 и триггеров DD2.1, DD2.2. Об этом «заботится» одна из контактных пар реле К1 таймера.

Используя рассматриваемое самодельное устройство в автоматическом режиме, нельзя забывать такую особенность. До подачи на схему электропитания надо установить тумблер SA1 в положение «Сигн.». С включением же питания нажать кнопку SB1. И лишь после этого можно будет смело перевести SA1 в положение «Авт.». Указанный порядок действий исключит ложное срабатывание1 таймера.

Юстировка устройства поворотом рукоятки переменного резистора R1 на его входе также проводится при переключении тумблера в положение «Сигн.». Ну а звучание принятого сигнала прекращается упомянутой выше кнопкой SB 1, благодаря чему достигается одновременная подготовка самодельного автомата к новому циклу работы.

Сборку конструкции ведут на фольгированной плате (рис.7) из текстолита или гетинакса. Печатные проводники получают, устранив все лишнее травлением. Если же устройство решено изготавливать в объеме, который соответствует показанному на рис.4, ненужную часть платы попросту удаляют.

Для комплектации изделия вполне приемлемы конденсаторы КЛС, К-50-6. В качестве постоянных резисторов можно использовать МЛТ-0,25, а переменного — СП-4. Что касается динамической головки, то как нельзя лучше подойдет,; 0.25ГДШ-101-50. Учитывая большую продолжительность пребывания автомата в дежурном режиме, питание схемы целесообразно осуществлять от осветительной сети через специальный блок, по возможности заводского изготовления.

Настройка всего устройства в целом достаточно проста. Требуемый номинал резистора R6 определяют, ориентируясь на желаемую громкость сигнала при срабатывании автомата. Следят, чтобы ни в коем случае не возникало перегрева транзистора, нагрузкой которого является динамическая головка ВА1. Варьируя емкость С4, подбирают нужную высоту тона сигнала. А резистором R9 добиваются требуемой четкости при запуске таймера. Продолжительность же одного цикла полива задают соответствующим подбором номиналов у R10 и С7 (порознь или вместе). При указанных на принципиальной схеме значениях этот параметр приблизительно равен 30 с.

Ю.ПРОКОПЦЕВ