Чарльз Платт – Электроника для начинающих (2-е издание) (страница 58)

• Кнопки (8 шт.)

• Необязательно: инструменты, чтобы открыть компьютер, просверлить четыре отверстия и сделать распилы между ними, создав прямоугольный вырез для клавиатуры (если вы желаете довести этот проект до конца). А также четыре маленьких винта, чтобы прикрепить клавиатуру к корпусу компьютера.

Схема из трех секций

Полностью собранный макет устройства на плате изображен на рис. 4.103, но прежде чем вы начнете собирать его, давайте взглянем на электрическую схему.

Схема разделена на три секции:

1. Источник питания и три фиктивные кнопки.

2. Активные кнопки и логические элементы.

3. Выход.

На рис. 4.99 показана первая часть схемы. Она достаточно простая. Когда вы нажимаете кнопку А, напряжение 9 В подается на стабилизатор, который выдает 5 В на левую шину. Эта кнопка также подает 9 В на провод справа, обозначенный надписью «9 В пост, тока» (вскоре я объясню, зачем).

Кроме того, вы видите кнопки В, С и D, каждая из них подключена к отрицательной шине.

Теперь взгляните на рис. 4.100, на котором изображена центральная секция схемы с использованием логических символов. Мысленно присоедините ее к верхней части схемы с рис. 4.99.

Каждая из кнопок от Е до Н может подавать положительное напряжение на логический элемент И, левый вход которого нормально удерживается в низком состоянии с помощью резистора 10 кОм. Выход каждого предыдущего элемента соединен с входом следующего.

Рис. 4.99. Верхняя секция схемы

Рис. 4.10. Средняя секция схемы с использованием логических символов

Рис. 4.101. Нижняя секция схемы

И наконец, на рис, 4.101 вы видите нижнюю секцию схемы, в которой выход последнего логического элемента И соединен с транзистором, запускающим таймер 555. Этот таймер управляет реле, а реле будет осуществлять блокировку и разблокировку компьютера (или любого другого устройства, имеющего простую кнопку включения-выключения).

Как все работает

Я задумал все так, чтобы вам приходилось нажимать кнопку А для активации схемы и продолжать удерживать ее нажатой, пока вы вводите секретную комбинацию цифр. Это преследует две цели: схема не потребляет энергии, когда вы не используете ее, и вы не сможете оставить ее включенной по ошибке.

Секретный код заключается в нажатии кнопок Е, F, G и Н в указанной последовательности, пока вы нажимаете кнопку А. Безусловно, если вы установите эту схему в реальности, то можете поменять расположение кнопок. Я расположил их так на макетной плате для упрощения.

Предположим, вы нажимаете кнопку А и нажимаете кнопку Е как первую в последовательности для разблокировки схемы. Из рис. 4.104 ясно, что кнопка Е подает 5 В напрямую на левый вход первого логического элемента И. В результате на левом входе устанавливается высокий логический уровень.

Потенциал на правом входе элемента И поддерживается высоким с помощью резистора 10 кОм. Итак, теперь оба входа элемента И в состоянии логической единицы и, следовательно, уровень на его выходе меняется с низкого на высокий.

Ток от выхода проходит через диод к левому входу. Вследствие этого вы можете отпустить кнопку Е и выход с элемента И будет удерживать левый вход в высоком состоянии. Этот логический элемент заблокировал себя подобно реле в эксперименте 15. Это можно сделать, поскольку он имеет собственный источник питания (не показанный на логической схеме), который поддерживает напряжение на выходе, несмотря на небольшое уменьшение входного напряжения.

Высокий выходной сигнал от первого элемента И поступает также к правому входу второго элемента И. Теперь на правом входе второго элемента И также присутствует высокий уровень, и если вы нажмете кнопку, чтобы подать логическую единицу на вход слева, то на выходе второго элемента И тоже появится высокий уровень. Заметьте, что кнопка не сработала бы раньше, поскольку вам нужен сигнал высокого уровня с выхода первого элемента И, чтобы подать его на второй элемент И.

Итог:

• После того как вы нажимаете каждую кнопку, логический элемент И рядом с ней блокирует себя, и вы можете отпустить кнопку.

• Кнопки необходимо нажимать в определенной последовательности. Если вы нажмете четыре кнопки не в том порядке, то ничего не произойдет.

• В течение всего процесса следует удерживать кнопку А нажатой.

Теперь посмотрим на кнопки С, D и Е. Что произойдет, если вы нажмете любую из этих кнопок, пока вводите код для разблокировки схемы? Любая из этих кнопок понизит напряжение на правом входе первого логического элемента И. Как следствие, на выходе этого элемента И появится низкий уровень. Если ранее этот элемент блокировал себя, то теперь он становится разблокированным. Более того, низкий выходной сигнал с первого элемента И разблокирует второй элемент И, а низкий сигнал со второго элемента И разблокирует третий элемент И.

Нажатие любой из кнопок С, D и Е будет сбрасывать всю схему. Я добавил их только для того, чтобы сделать ввод правильной комбинации более сложным. Естественно, я предполагаю, что при сборке этой системы вы позаботитесь, чтобы все кнопки выглядели одинаково.

Одновременное нажатие нескольких кнопок

Что произойдет, если кто-то нажмет сразу несколько кнопок (при этом удерживая нажатой кнопку А)? Результат будет непредсказуемым. Если все кнопки Е, F, G и Н нажаты одновременно, то сработает реле (если только не нажата любая из кнопок В, С или D, останавливающих весь процесс). Возможность срабатывания при одновременном нажатии нескольких кнопок может рассматриваться как недостаток этой схемы, однако шанс нажать кнопки А, Е, F, G и Н, не нажав кнопку В, С или D, невелик. Чтобы еще сильнее снизить этот риск, можно добавить больше кнопок сброса параллельно кнопкам В, С и D.

Запуск реле

Предположим, вы ввели правильную комбинацию. Последний логический элемент И подает 5 В на базу транзистора (см. рис. 4.105). Транзистор включается и начинает проводить ток. Это уменьшает сопротивление между контактом 2 таймера 555 и отрицательной шиной, и таким образом напряжение на выводе 2 понижается, а таймер запускается.

Таймер получает питание 9 В по отдельному проводу справа. Сигнал на выходе таймера должен быть достаточным для срабатывания реле. Теперь посмотрим, что делает реле: группа контактов справа обеспечивает альтернативный источник питания для шины 9 В.

Пока длится импульс таймера 555, контакты реле замкнуты. Пока реле замкнуто, оно питает всю схему, а заодно и таймер. Да, таймер питает реле, а реле питает таймер.

Теперь вы можете отпустить кнопку А, и реле будет оставаться блокированным, пока продолжается импульс от таймера. Этот импульс закончится приблизительно через 30 секунд, отключив питание реле, его контакты разомкнутся и выключат таймер, а также остальную схему. Теперь устройство вообще не потребляет энергии.

Группа контактов с левой стороны реле предназначена для подачи питания на кнопку включения компьютера. Таким образом, в течение короткого промежутка времени, пока таймер питает реле, вы сможете включить компьютер. Все остальное время кнопка включения работать не будет.

Подключение микросхемы 74НС08

Теперь давайте взглянем на рис. 4.102. Это центральная секция схемы с реальной микросхемой 74НС08, содержащей четыре логических элемента И с двумя входами. Они выполняют ту же функцию, что и логическая схема на рис. 4.100. Вы можете сравнить эти две схемы и убедиться, что их функции идентичны. Главное отличие заключается в том, что из реальной схемы становится ясно, как должны быть установлены компоненты на самом деле, но понять алгоритм работы устройства проще, пользуясь логической диаграммой.

Рис. 4.102. Средняя секция схемы, собранная на основе микросхемы 74НС08

Пора собирать устройство!

Полная версия устройства на макетной плате показана на рис. 4.103. Этот проект вы не сможете проверить поэтапно: вам необходимо собрать схему полностью. Номиналы и расположение компонентов указаны на рис. 4.104.

Рис. 4.103. Макет электронного кодового замка

Рис. 4.104. Расположение и номиналы компонентов на макетной плате

Описание устройства

Будьте внимательны и не перепутайте два напряжения питания в этой схеме. Напряжения 5 В недостаточно для управления реле, а напряжение 9 В повредит логическую микросхему. Левая шина на макетной плате предназначена для подачи питания 5 В. Первичное постоянное напряжение 9 В подается к реле по коричневому проводу в левой части макетной платы (см. рис. 4.103). Фиолетовые провода справа подают напряжение 9 В либо при нажатии кнопки А, либо при замыкании правых контактов реле.

• Коричневый цвет провода указывает на первичное напряжение 9 В от батареи или сетевого адаптера.

• Пурпурный или фиолетовый цвет – это провода от источника питания 9 В, который подключается либо с помощью реле, либо кнопкой А.

• Красный цвет – это шины 5 В постоянного тока, который обеспечивает стабилизатор напряжения.

После того как вы соберете схему, подключите 9-вольтовый источник питания, нажмите и удерживайте кнопку А. При этом зажигается красный светодиод, но больше ничего не происходит.

Пока вы удерживаете нажатой кнопку А, нажмите и отпустите каждую из кнопок Е, F, G и Н в указанной последовательности, сверху вниз. Когда вы завершите последовательность нажатий, загорится зеленый светодиод, показывая, что реле замкнуто, и вы успешно разблокировали устройство.