Цифровые микросхемы и их применение
Журнал Радио 1 номер 1998 год
В. БАННИКОВ, г. Москва
Всем знакома обыкновенная игральная кость - кубик, на грани которого нанесены от одной до шести точечных меток. Известно, что именно анализ результатов бросания такой кости был заложен в основу теории вероятности. С давних пор игральные кости являются обязательным элементом многих игр. Но оказывается, что этот "инструмент" можно выполнить и на основе электроники. Такая "кость" не становится на ребро, не падает на пол, да и подбрасывать ее не придется. Достаточно лишь нажать кнопку, и через несколько секунд выпадет очередной результат.
Возможны различные варианты реализации подобной конструкции. Принципиальная схема одного из них изображена на рис. 1.
В нем выпавшее число отображается на цифровом индикаторе HG1, сегменты которого коммутируются электронными ключами на транзисторах VT1-VT9 . Устройство также содержит счетчик, выполненный на микросхеме DD2, и генератор импульсов на элементах DD1.1, DD1.2. Частота следования импульсов зависит от напряжения на конденсаторе С1 и изменяется по мере его разрядки от 10 Гц до долей Герца.
Как известно, микросхема К176ИЕЗ является счетчиком-делителем на 6 со встроенным дешифратором. На выходе дешифратора попеременно появляются коды, соответствующие отображаемым цифрам от 0 до 5. Но поскольку игральная кость характеризуется числами от 1 до 6. то необходимо, чтобы вместо нуля индикатор отображал шестерку. С этой целью счетчик снабжен дополнительным дешифратором, выполненным на элементах DD1.3, DD1.4 и транзисторах VT2, VT9.
Заметим, что признаком цифры 0 можно считать наличие сигналов нулевого уровня на выходах с и е микросхемы DD2. Отображение любой другой цифры в диапазоне от 1 до 5 характеризуется присутствием хотя бы на одном из них уровня логической 1. Следовательно, в тот момент, когда на выходах сие появляется напряжение низкого уровня, индикатор должен отобразить вместо 0 цифру 6. При использовании семисегментного индикатора это означает, что необходимо погасить сегмент b и зажечь d.
Именно это и осуществляет дополнительный дешифратор. Установление нулевых уровней на выводах 11 и 13 микросхемы DD2 приводит к появлению такого же сигнала на выходе элемента DD1.4. В результате открываются транзисторы VT2 и VT9. Первый из них закрывает VT3, что приводит к погасанию сегмента b индикатора HG1. Второй шунтирует транзистор VT8, благодаря чему включается сегмент g. Таким образом и формируется требуемая цифра 6.
Устройство работает следующим образом. В исходном (показанном на схеме) состоянии контактов кнопки SB1 индикатор HG1 отображает одну из цифр от 1 до 6. При нажатии на кнопку конденсатор С1 быстро заряжается через резистор R2, вследствие чего генератор начинает вырабатывать прямоугольные импульсы с частотой следования примерно 10 Гц. С его выхода сигналы поступают на счетчик DD2. и на индикаторе HG1 появляются непрерывно мелькающие цифры. После отпускания кнопки SB1 конденсатор С1 начинает разряжаться, частота генератора плавно снижается и скорость смены цифр на индикаторе уменьшается. Примерно через 3 с счетчик DD2 останавливается и на индикаторе HG1 отображается одна из цифр от 1 до 6. Его состояние остается неизменным до следующего нажатия на кнопку SB1 Такая фиксация "выпавшей" цифры не только придает игре повышенную занимательность, но и препятствует жульничеству игроков.
Питается устройство от сети. Излишек напряжения гасит конденсатор С6 (номинальное напряжение не менее 600 В). Резистор R15 ограничивает ток через этот конденсатор, a R14 разряжает его после отключения устройства от сети. Постоянное напряжение около 24 В формируется стабилитронами VD2, VD3. Мощность, рассеиваемая на них, невелика, поэтому допустимо их использование без теплоотвода.
На резисторе R10 создается падение напряжения около 9 В, используемое для питания микросхем DD1, DD2 и транзисторов VT1-VT9. Потребляемая устройством мощность не превышает 2 Вт. Следует учесть, что все его элементы находятся под напряжением сети. В связи с этим они должны быть тщательно изолированы от корпуса, если он выполнен из металла.
Вместо ИВ-6 можно применить светодиодный семисегментный индикатор, например, АЛ305А или АЛ305Ж. воспользовавшись рекомендациями, приведенными в . Однако лучше всего выполнить индикатор в традиционной форме игральной кости, с точками вместо цифр. Другими словами, в этом случае получится универсальная грань кубика, на которой будут загораться от одной до шести светодиодных "точек".
Именно такой индикатор применен во втором варианте устройства (рис. 2). Здесь пусковая цепь (SB1, R1 и С1) и генератор импульсов (элементы DD1.1, DD1.2. VD1, С2, С3, R2-R5) аналогичны описанным выше. Счетчик-делитель частоты на 6 выполнен на триггерах DD2, DD4 и элементе DD1.3, подобно тому, как это сделано в . Временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 3.
Поскольку входы С триггеров DD2.2, DD4.1 и DD4.2 соединены с прямыми выходами предшествующих, то счетчик на них работает в режиме вычитания. Он считает в двоичном коде. Его информационными выходами являются выводы 1 микросхемы DD4 (старший разряд) и 13.1 микросхемы DD2 (средний и младший разряды соответственно). Состояние счетчика изменяется по фронту сигнала, формируемого элементом DD1.2.
Включение генератора кнопкой SB1 приводит к появлению прямоугольных импульсов на входе С триггера DD2.1 и входе S DD4.2. При этом на инверсном выходе последнего устанавливается сигнал с уровнем логического 0, разрешающий работу триггера DD2.2 по входу С, и счетчик начинает считать. Когда он досчитывает до 0. на прямых выходах триггеров DD2.1. DD2.2 и DD4.1 устанавливается нулевой уровень.
Вслед за тем первый же перепад из О в 1 на выходе элемента D01.2 переводит названные выходы, а с ними и инверсный выход DD4.2. в единичное состояние. Выходной сигнал DD4.2 сбрасывает триггер DD2.1 по входу R. в результате чего счетчик переходит в состояние, соответствующее цифре 5. Следующий импульс, сформированный элементом DD1.3 (на рис. 3 он выделен штриховкой), переводит инверсный выход триггера DD4.2 в нулевое состояние, разрешая тем самым дальнейший счет. Когда счетчик вновь досчитает до нуля, цикл повторится.
Дешифратор, собранный на микросхеме DD3 и элементе DD1.4. построен таким образом, что состояниям 5. 4, 3. 2. 1 и 0 счетчика соответствуют числа 5. 6.1, 2. 3 и 4 на "грани" игральной кости. Это следует из приводимой таблицы, в которой показано соответствие между уровнями сигналов на выходах счетчика, дешифратора и состоянием светодиодов HL1-HL7. При этом горящему светодиоду в таблице соответствует цифра 1. погашенному - 0.
Поскольку потребляемый устройством ток не превышает 60 мА. его можно питать как от сети, так и от батарей "Крона", "Корунд". 
При использовании сетевого питания допустимо применение такого же бестрансформаторного источника, что и в первом варианте. Однако в этом случае необходимо напряжение 9 В. в связи с чем один из стабилитронов Д815Д (например. VD3) должен быть заменен на Д815В. а другой (VD2) - на любой кремниевый маломощный диод, например, КД105Б (его катод соединяют с катодом VD3).
Расположение светодиодов HL1-HL7 на грани этого варианта игральной кости показано на рис. 4.
В обоих устройствах вместо микросхем серии К176 допустимо использовать их аналоги из серий К561, 564. Во втором устройстве для замены транзисторов КТ315Г. КТ361Г подойдут любые из этих серий, а светодиодов АЛ307БМ - любые, излучающие в видимом спектральном диапазоне. Диодную сборку КЦ405А можно заменить на КЦ405Б. КЦ405В, КЦ402А-КЦ402В или на четыре диода КДЮ5А-КД105В. включив их по схеме выпрямительного моста.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексеев С. Применение микросхем серии К176. - Радио. 1984. N» 4. с. 25-28.
2. Банников В., Варюшин А. Двутонапьная сирена автосторожа. - Радио. 1993. N« 12, с. 31-33.
Конструкция, описание которой представлено ниже, выполняет функции игрового кубика, но имеет перед ним то преимущество, что не требует бросания реального кубика по горизонтальной поверхности. Основой устройства является индикатор, состоящий из семи светодиодов HL1-HL7 (рис. 1), расположенных так, чтобы высвечивать конфигурацию любой из шести граней кубика.
В соответствии со структурной схемой (рис. 2) устройство содержит генератор импульсов, счетчик, преобразователь кода (дешифратор) и вышеупомянутый светодиодный индикатор.
Принципиальная схема устройства изображена на рис. 3. На элементах DD1.1- DD1.3 микросхемы DD1 по стандартной схеме собран генератор импульсов. Импульсы подаются на вход С2 (вывод 1) счетчика, выполненного на микросхеме DD2. Благодаря обратным связям на входы & и R (выводы 3 и 2) счетчик работает с коэффициентом пересчета 6. Диоды VD1-VD5, элемент DD1.4 и элементы микросхемы DD3 образуют преобразователь двоичного кода в "код граней кубика". Сигналы последнего подаются на светодиоды HL1-HL7, индицирующие выпавшее число. Для ограничения тока через светодиоды установлены резисторы R2-R8.
Работает устройство так: пока контакты кнопочного выключателя SB1 разомкнуты, генератор подает тактовые импульсы на счетчик и на индикаторе с большой частотой переключаются светодиоды, индицируя "грани кубика" последовательно от 1 до 6. Как только контакты SB1 замкнут, нажав на кнопку, генерация импульсов прекратится. На выходах микросхемы DD2 зафиксируется число в двоичном коде, а на индикаторе - соответствующее "выпавшее число". Таким образом, чтобы "запустить" кубик, надо включить его выключателем SA1, а чтобы остановить - нажать кнопку выключателя SB1.
Теперь скажем несколько слов о конструкции и деталях устройства: микросхемы DD1 и DD3 - К155ЛАЗ, К555ЛАЗ; DD2 - К155ИЕ5, К555ИЕ5; диоды VD1 - VD5 - КД522Б или серий КД102, КД103; резисторы R2-R8 любые, подходящие по размерам, номиналом от 120 до 470 Ом (от их сопротивления зависит яркость свечения диодов индикатора); конденсатор С1 должен быть керамическим, его допустимо заменить оксидным емкостью 1...2мкФ. При отсутствии таких конденсаторов можно использовать два оксидных полярных (электролитических), включив их последовательно, "навстречу" друг другу.
Все детали электронного кубика, кроме кнопочных выключателей SA1, SB1 и батареи, монтируют на печатной плате размерами 57x70 мм, эскиз которой показан на рис. 4.
Всю конструкцию помещают в пластмассовый футляр подходящих размеров (рис. 5). Питание устройство получает от плоской батареи напряжением 4,5 В. Потребляемый ток при использовании микросхем серии К155 составляет примерно 40 мА.
В заключение - о расширении игровых возможностей и изменении схемы кубика. Если емкость конденсатора С1 увеличить до 50-100 мкФ, а вместо постоянного резистора R1 поставить переменный, с большим сопротивлением, то частоту переключения индикатора можно будет изменять в широких пределах. Тогда, при малых значениях сопротивления резистора R1, выпавшее значение на индикаторе носит случайный характер (устройство выполняет функцию кубика). При больших значениях сопротивления резистора R1 частота переключений "граней кубика" уменьшается, что позволит визуально контролировать и фиксировать число на индикаторе (игры на реакцию).
Устройство можно существенно упростить, если из структурной схемы (см. рис. 2) исключить счетчик и сразу преобразовывать импульсы генератора в коды индикатора. Этого можно добиться, используя три D-триггера, например, входящих в микросхему К155ТМ8, соединив их в кольцевой счетчик. Схема модифицированного устройства показана на рис. 6, а временная диаграмма работы по выходам триггеров (точки А, В, С и D) - на рис. 7.
Генератор импульсов собран на логических элементах микросхемы DD1. Прямоугольные импульсы с его выхода (вывод 8) подаются на счетный вход микросхемы DD2 (вывод 9). По фронту четвертого импульса, благодаря обратным связям через элемент DD1.4, происходит обнуление триггеров (в начале седьмого такта). В остальном работа устройства происходит так же, как и предыдущего. Печатная плата для этого варианта электронного кубика не разрабатывалась.
Эта поделка реализует электронную версию двух стандартных игральных костей с помощью 14 светодиодов, образующих при свечении аналог двух игральных костей и микроконтроллере PIC12F629. Как и в обычных не электронных костях, например, для игры в "нарды", выдаются два случайных и независимых значения от 1 до 6 одновременно. Расположение светодиодов стилизовано под стандартные кости.
При нажатии на кнопку, в течении 3 сек. выдается очередная комбинация, потом светодиоды гаснут до следующего нажатия кнопки. Если кнопка не нажата в течении 15 секунд, прибор переходит в спящий режим с током потребления не более 1 мкА по тестеру. При последующем нажатии на кнопку, работа устройства продолжается в обычном режиме. У прибора нет выключателя питания, он всегда готов к применению и включается сразу при нажатии кнопки. Простой расчет показывает, что при питании от трех дешевых солевых батареек, заряда хватит на 10000 "бросаний" костей (средний ток при свечении светодиодов - 15 мА). А в спящем режиме он может находиться годы...
В силу ограниченного числа выводов, применена динамическая индикация - каждая "кость" зажигается в течении 10 мс попеременно с другой. Каждая "кость" состоит из светодиодов, собранных в три группы (1, 2 и 4 светодиода), комбинацией свечения которых получаются все шесть значений. Одноименные группы соединены вместе и подключены к портам GP0 - GP2 микроконтроллера через токоограничительные резисторы R2-R4. Все светодиоды, кроме D4 и D11, включены попарно последовательно. В цепи D4, D11 (здесь не два последовательных, а один светодиод в группе) для выравнивания яркости свечения разных групп при напряжении питания 3.5 - 4.7 В, введены диоды VD1 и VD2. С той же целью сопротивление резистора R2 уменьшена в два раза (в группе две параллельных цепочки светодиодов). Объединенные катоды светодиодов, образующих каждую "кость", подключены соответственно к портам GP4 и GP5. Частота динамической индикации - 50 Гц. Кнопка S1 подключена к входу GP3, сконфигурированному как обычный вход.
Случайность выдаваемых значений обеспечивается следующим образом. Таймер TMR1 тактируется частотой 1 Мгц, а значит переполняется раз в 0.065 сек. При нажатии кнопки, фиксируется состояние таймера и оно абсолютно случайно из-за субъективного характера периодичности нажатия кнопки. Значение одной "кости" вычисляется из младшего байта таймера, а другой - из старшего.
Прибор питается от трех элементов АА, напряжением 4.5 В. Свечение светодиодов остается достаточно ярким до напряжения батареи в 3.5 В. Из-за дороговизны и дефицитности стабилизаторов с собственным потреблением в единицы микроампер, было решено применить непосредственное подключение прибора к батарее питания. Это приводит к некоторому снижению яркости в конце срока ее службы, но позволяет получить сверхнизкое потребление тока в режиме ожидания.
Прибор собран на печатной плате размерами 50мм на 60мм.
Светодиоды применены диаметром 3 мм, так как они визуально ярче и больше похожи на точки игральных костей. VD1, VD2 типа КД521. На плате предусмотрено место для непосредственного впаивания тактовой кнопки. В случае применения выносной кнопки, она подключается к плате двумя отрезками проводов.
Исходный код написан и откомпилирован в среде . Исходный код, прошивка, проект и чертеж платы приведены во вложении.
P.S. Всякие моргания на видео - результат биений частот камеры и ДИ. В реале все стабильно.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DD1 | МК PIC 8-бит | PIC12F629 | 1 | В блокнот | ||
| VD1, VD2 | Диод | КД521Д | 2 | КД522 | В блокнот | |
| D1-D14 | Светодиод | Красный 3мм | 14 | В блокнот | ||
| R1 | Резистор | 10 кОм | 1 | 0.125Вт | В блокнот | |
| R2 | Резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R3 | Резистор | 200 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R4 | Резистор | 220 Ом | 1 |
Это устройство основано на генераторе случайных чисел и ориентировано на использование в качестве игры (например в кости, или качестве кубика в логических играх), а так же его можно использовать для определения победителя в каком-либо конкурсе путем жеребьевки…
Конструкция очень проста, и повторяема практически любым начинающим радиолюбителем, который имеет самый малый опыт работы с паяльником и знает специфику пайки микросхем. Она заключается в следующем:
1)Жало паяльника должно быть заземлено
2)Не нагревать вывод микросхемы дольше 5-8 секунд
Первый пункт можно опустить, если микросхема не боится статики (но к МК это не относится).
Итак, вот собственно схема девайса:
Сразу акцентирую внимание на отсутствии токоограничивающих резисторов, включенных последовательно со светодиодами. В данной схеме в них нет надобности, так как при напряжении питания 3,7V через светодиоды течет относительно небольшой ток, который микроконтроллер в состоянии выдержать (но если вы все же хотите перестраховаться, то на плате вполне достаточно места для включения последовательно со светодиодами резисторов в smd исполнении).
Плата устройства:
Как видите, размеры у платы довольно скромные (6 x 4,5 см).Если вы будете использовать печатную плату с топологией, которая приведена в этой статье, то внешний вид собранной платы будет таков:
Так как в этой конструкции плата выполнена в двухстороннем варианте, то может оказаться проблемной процедура впаивания панельки для микроконтроллера. В своей практике я пользуюсь таким методом соединения двух слоев платы:
Данный способ неплохо подходит для соединения маломощных печатных проводников, а так же там, где количество соединений такого типа невелико, иначе очень сложно все это пропаивать.
Теперь о прошивке.
Я разрабатывал программу для МК в среде Flowcode (проект к статье прилагается, там же имеется и проект в PROTEUSе). Программа работает следующим образом: при подаче питания на МК программа запускается, и ожидает нажатия кнопки. Как только кнопка будет нажата, вызывается переменная gsch(тип byte),и ей присваивается значение
Теперь о fuse-битах:
Так выглядит окно их установки в программе PonyProg2000 .
Детали, замены. В качестве управляющего элемента я использовал микроконтроллер семейства AVR, ATTINY2313, кварцевый резонатор нужно взять на частоту 8MHz, конденсаторы емкостью 22-33 пф, что же касается светодиодов, то они должны быть маломощными на номинальное напряжение 2V.
