Осваиваем систему моделирования TINA-TI. Автомат для поливки цветов

Я, когда впервые знакомился с программой TINA-TI, огорчился, не обнаружив привычных цифровых примитивов на закладках программы. Но позже понял, что это не совсем так.

Сегодня многие устройства, для которых прежде использовали цифровые микросхемы, удобнее выполнять на микроконтроллерах. Однако цифровые микросхемы стоят дешевле, у многих радиолюбителей сохранилось много цифровых микросхем, да и нет смысла перево­дить законченные схемы, если они работают, на новую элементную базу. Пример такой схемы я нашел на сайте [1] и называется она "Автомат для поливки цветов".

Схема автоматического полива цветов.

Схема построена на микросхеме К561ЛА7, аналог которой CD4011 стоит около 30 руб. (думаю, можно найти и дешевле). Если заменить ее микроконтроллером, то он обойдется не менее, чем в 100 руб. Есть ли смысл в такой замене?

Только в одном случае, но об этом позже. На сайте есть подробное описание схемы, не буду его пересказывать или приводить полностью, поскольку собираюсь рассказывать о программе TINA-TI.

Итак, рассмотрим работу триггера на элементах D1.1, D1.2. Но сначала, где искать цифровые микросхемы в программе TINA-TI?

Поиск компонентов в программе TINA-TI.

Среди других полезных инструментов в программе есть средство для поиска компонентов. Выбрав этот раздел основного меню, вы открываете диалоговое окно поиска:

Диалоговое окно поиска компонентов.

Достаточно в окно «Найти компонент» ввести нужное имя, нажать кнопку Поиск, чтобы увидеть все компоненты, имеющие это имя. Хотя искомая микросхема – это CD4011, в библиотеке компонентов она хранится под тем именем, что вы видите на рисунке. Выделив этот компонент, нажимаем кнопку Вставить… и получаем искомое.

Первый элемент триггера.

Для сборки триггера Шмитта нам понадобится два вентиля. Можно повторить поиск компонента, а можно просто скопировать и вставить второй элемент. Выделим первый вентиль, щелкнув по нему левой клавишей мышки (при этом он «покраснеет», как на рисунке выше), и обратимся к разделу «Правка».

Копирование первого вентиля.

Ниже есть пункт меню «Вставить», который позволяет добавить второй вентиль. При вставке курсор мышки меняет свой вид, и достаточно переместить его в нужное место на чертеже, где щелкнуть левой клавишей мышки, оставляя новый компонент там, где ему и место.

Остальные элементы схемы легко найти на инструментальной панели. Изменив их значения в соответствии со схемой, добавим генератор пилообразного напряжения и точку наблюдения за выходом. Первый есть и среди наиболее употребительных элементов схем, второй на закладке «Измерительные приборы».

Генератор и измеритель напряжения на инструментальной панели.

После соединения элементов схемы остается настроить генератор. Двойным щелчком левой клавиши мышки откроем диалоговое окно свойств генератора. Поскольку по умолчанию цифро­вые микросхемы используют напряжение питания 5 В (и в этой версии его, похоже, не изменить), амплитуду сигнала следует задавать, исходя из этого. Вид сигнала определит новое диалоговое окно, которое открывается кнопкой в разделе «Сигнал»:

Диалоговое окно свойств генератора.

В списке доступных форм сигнала есть пилообразное напряжение, но оно двухполярное, что можно проверить, щелкнув по этой кнопке.

Выбор вида используемого сигнала.

Поэтому я предпочитаю использовать другую форму сигнала:

Сигнал, из которого можно сделать пилообразное напряжение нужного вида.

Этот сигнал позволяет амплитуду #2 сделать равной нулю и получить пилообразное напря­жение только положительное, что и требуется. Изменяя временные интервалы, можно добиться нужной формы сигнала:

Настройки для получения нужного вида сигнала.

Зачем я так подробно остановился на этом процессе? Чтобы еще раз напомнить, что програм­мы моделирования имеют достаточное количество полезных инструментов; что если на первый взгляд чего-то не хватает, то следует присмотреться внимательнее, может быть, все не так плохо. И последнее, редактор сигнала позволяет вам контролировать форму сигнала в интерактивном режиме. Полезное, согласитесь, свойство.

Вернемся к схеме. Мы нашли нужные компоненты, мы готовы собрать схему. Следует ли это делать сразу? Это, конечно, как кому больше нравится. Я предпочитаю рассмотреть функцио­нальные узлы схемы по отдельности. Первый функциональный узел – это триггер Шмитта. Зачем он нужен?

Из описания схемы следует, что она предназначена для регулярного полива цветов каждое утро. Когда фотодиод достаточно освещен, то есть, наступило утро, триггер Шмитта, опреде­ляющий возрастающее напряжение на резисторе R1 (резистором можно регулировать порог включения), должен переключиться. Процесс изменения напряжения на резисторе R1 больше похож на тот, что представлен генератором сигнала. То есть, напряжение плавно меняется в зависимости от освещенности фотодиода. Триггер же, в какой-то мере, играет роль компаратора напряжения.  Проверим его, используя программу TINA-TI: Анализ -> Анализ переходных процессов -> ОК.

Работа триггера Шмитта.

Все знают, что микросхема CD4011 состоит из четырех вентилей 2И-НЕ. Это логические элементы, таблица истинности которых утверждает, что ноль на выходе вентиля появится только при наличии двух единиц на входах. Мы можем проверить и это:

Проверка логики работы вентиля 2И-НЕ.

Логика и таблица истинности… причем здесь триггер Шмитта? Не следует забывать, что цифровые микросхемы построены, в сущности, из усилителей, сконструированных специальным образом. Два вентиля, включенные как инверторы, охвачены цепью положительной обратной связи через делитель из резисторов R2 и R1, что и превращает схему в триггер.

Рассмотрим второй функциональный узел схемы.

Формирование импульса управления временем полива.

Для этого эксперимента следует заменить сигнал с генератора на единичный шаг.

Настройка генератора для этого эксперимента.

Хотя на предыдущем рисунке не видно, что генератор воспроизводит единичный шаг (ступеньку), можно повторить предыдущий анализ переходного процесса, сократив время наблюдения до 50 мкс.

Вид сигнала, используемого в эксперименте.

И, чтобы убедиться в том, что схема работает, попробуем изменить величину резистора R2 (R6 на оригинальной схеме). Длительность выходного импульса должна измениться.

Повторение эксперимента при изменении значения R2.

Многие радиолюбители практикуют модификацию готовой схемы под свои нужды. Это хорошая практика. Давайте посмотрим, что можно изменить в схеме. Начнем с того, что два вентиля, образующие триггер Шмитта, в конечном счете представляют логический элемент 2И. Попробуем заменить их.

Замена вентилей 2И-НЕ на 2И

Как мы и предполагали, такая замена вполне допустима.

Теперь попробуем изменить еще один параметр исходной схемы. Исходная схема предназ­начена к ежедневному поливу цветов. А если нам нужно поливать цветы раз в несколько дней?

Воспользуемся тем, что может предоставить в наше распоряжение цифровая техника.

Модификация схемы полива

Добавление в схему счетчика позволяет запустить устройство управление поливом не сразу, как только сработает триггер Шмитта, а после нескольких циклов его работы. Но, модифицируя схему, мы должны позаботиться о том, чтобы схема могла вернуться к исходному состоянию.

Добавим еще один вентиль, сбрасывающий счетчик в исходное состояние. И вентиль, который формирует сигнал запуска полива!

Продолжение модификации схемы

Как видно из осциллограммы, полив запускается не каждый день, но через несколько дней. Как мы и хотели. Осталось привести схему к полному (или, пока, почти полному) виду, о котором можно сказать, что это устройство, что оно готово к воссозданию на макетной плате и проведению испытаний.

При разработке любого устройства стараются не плодить количество используемых в схеме сущностей. На предыдущей схеме есть и вентили 2И-НЕ, и вентили 2И. Непорядок!

Ранее мы видели, что триггер Шмитта можно собрать на вентиле 2И. Более того, формиро­ватель импульса полива, по аналогии с триггером Шмитта, тоже можно попробовать заменить вентилем 2И. Что мы и сделаем.

Приведение схемы «к общему знаменателю»

Последние замечания

Схему в ее последнем виде трудно моделировать полностью. Причина в том, что генератор реального устройства должен иметь период в 24 часа. Выбрать подходящие времена можно, но в ущерб реальной проверке схемы. Тем не менее:

Разбор осциллограммы

Последнюю схему можно собрать «с нуля». Но удобнее использовать другой подход – открыть предыдущие схемы, из которых скопировать и вставить нужные блоки программы в новую схему. Процесс копирования и вставки самый обычный: обвести с помощью мышки нужный блок…

Выделение нужного блока схемы

…он выделится на схеме.

Выделенный блок.

Выбрать нужную схему, используя закладки:

Использование нескольких схем одновременно.

И вставить скопированный блок в нужную схему. Блок за блоком легко собрать новую схему из уже существующих и проверенных схем.

Если вам при разработке цифрового устройства требуется быстродействие, используйте серию SN74:

Список микросхем серии SN74 в программе TINA-TI.

И последнее – оригинальная схема была проста, закончена и вполне оправдана в части стои­мости компонентов. Модифицируя схему, мы добавили компоненты. Если посмотреть на стоимость модифицированной схемы, то возникают сомнения – а не выполнить ли это устройство на микро­контроллере? Можно легко не только повторить схему, но и добавить функциональности, напри­мер, с помощью нескольких кнопок можно менять период полива и время полива. Со временем, если появятся новые идеи, можно расширить функциональность, перепрограммировав микро­контроллер.

Но это уже ваше решение.

Использованная литература и ссылки

1. http://www.radio-portal.ru/layout/36-electronics-home/1193-2010-06-04-04-53-32.html

Загрузки

1.  Файл моделирования схемы auto_shower.TSC
2.  Программа TINA-TI версия 9.3.50.40 SF-TI, обозначенная как sloc243c (86.3 Мб), русифицирована  и доступна для свободной загрузки со страницы http://www.ti.com/tool/Tina-TI