Обучающий сенсорный стенд (с печатной платой)

October 15, 2012 by admin Комментировать »

Введение

Обучающий сенсорный стенд (далее просто ОСС) является разновидностью
технических средств обучения. ОСС обучает переводу цифр из десятичной
системы счисления в двоичную. ОСС позволяет затрени-ровать полученные
теоретические знания и в занимательной форме довести их до автоматизма.
Для оперативной работы с ОСС рекомендуется работа в паре. Сначала один
испытуемый устанавливает десятичные числа при помощи переключателя
“Установка” и ведет подсчет (например, палочками на листе бумаги в
клеточку) правильных ответов, а другой преобразует эти десятичные числа в
двоичный код на сенсорном пульте (СП) и нажимает кнопку “Ответ”. Затем
(например, после 15-20 ответов) испытуемые меняются местами. Если
десятичный код преобразуется верно, то сразу после нажатия кнопки
“Ответ” звучит короткий тональный сигнал “Правильно”. Для увеличения
“КПД” при работе с ОСС в режиме тестирования желательно к группе
тестируемых приставить двух помощников-рефери. Один помощник фиксирует
правильные ответы, а второй выступает в роли “секунданта” – отмеряет
секундомером (30-60 с) время, отведенное каждому тестируемому.
Тестируемый устанавливает двоичные коды на сенсорном пульте. Победителем
признается тот, кто (за одинаковое время) дал большее количество
правильных ответов.

Переключатель “Установка” -преобразователь десятичного кода в
неинвертированный двоично-десятичный код – имеет в качестве
механического переключателя положения оцифрованный (от “О” и до “9”)
зубчатый диск с возможностью установки 10 фиксированных положений.
Переключение осуществляют, нажимая пальцем на верхний или нижний зубец
диска, причем за одно движение удается переместить диск переключателя
только на одну позицию. Вращением дисковой шкалы переключателя можно
устанавливать четырехразрядный двоично-десятичный код, который подается
на 4-х разрядную двоичную схему сравнения.

Основным недостатком ОСС является отсутствие регулятора чувствительности
СП для пользователей (испытуемых) с разным сопротивлением кожи пальцев.

Схема

ОСС (см. рис. 1) состоит из:
–    RS-триггера на элементах DD1.1, DD1.2, R1, R2, SB1;
–    одновибратора на элементах С2, DD1.3, DD1.4, R3;
–    ключа на полевом транзисторе VT1, его стоковой нагрузки – активного
(имеющего встроенный генератор) зуммера А1 с конденсатором фильтра СЗ;
–    10-позиционного переключателя SA1 “Установка” с 4 резисторами
(R4…R7) установки низкого логического уровня;
–    4-х разрядной двоичной схемы сравнения DD2;
–    четырех входных цепей сенсорного пульта С4, R8, R9; С5, R10, R11;
С6, R12, R13; С7, R14, R15 (соответственно),
–    керамического блокировочного конденсатора С1;
–    кнопки SB1 “Ответ”, тумблера SA2 “Вкл.” ОСС и батареи GB1.

В ОСС применен сенсорный 4-х разрядный пульт (см. рис. 2), имитирующий
двоичные разряды с весами “8” “4”, “2”, “1” (слева направо: от старшего
до младшего разряда соответственно). Для подачи на любой (один или
несколько) сенсорный контакт логической единицы следует коснуться кон акта пальцем. Для подачи на любой сенсорный контакт логического нуля палец с контакта следует убрать.
Как известно, младшие разряды чисел (любых систем счисления) располагаются справа, поэтому на безымянный палец в СП ОСС “назначен” младший разряд с весом “1”, на средний палец – разряд с весом “2”, на указательный палец – разряд с весом “4”, на большой палец – разряд с весом “8”. (Данные “назначения” указаны для правой руки.)

Испытуемым, у которых хорошо развит (например, игрой на музыкальных инструментах) мизинец, распределение сенсорных контактов по пальцам можно установить, например, следующим образом: на мизинец “назначают” младший разряд с весом “1”, на безымянный палец – разряд с весом “2”, на средний палец – разряд с весом “4”, а на указательный палец – разряд с весом “8”. Большой палец остается незадействованым.
Для работы сенсорных контактов на пульте имеется металлическая пластина, на которую подано напряжение (+4,5 В) питания ОСС. Рабочее положение правой руки на пульте предполагает обязательное (как минимум, на момент начала нажатия кнопки “Ответ”) касание запястьем руки этой металлической пластины. Напряжение питания ОСС с запястья руки (при установке кода) через пальцы наводится
на сенсорные контакты “8”, “4”, “2”, “1” при касании этих контактов соответствующими им пальцами. Для удобства работы с сенсорным пультом при установке кода запястье руки лежит на металлической пластине пульта, а двигаются только пальцы. [Местоположение сенсорных контактов на СП может быть слегка оптимизировано под индивидуальные размеры пальцев рук пользователя. При этом следует учесть, что касаться контактов следует не торцами пальцев, а их подушечками, на которых кожа тоньше, а значит и сопротивление кожи постоянному (+4,5 В) току меньше. Малое сопротивление кожи на пальцах руки важно для повышения чувствительности СП.]
В исходном состоянии кнопка SB1 “Ответ” не нажата, поэтому с выхода (вывода 3) логического элемента DD1.1 логический ноль поступает на вход “А=В” (вывод 6) DD1 и компаратор DD1 “закрыт”, то есть на выходе “А=В” (вывод 3) DD1 установлен логический 0 независимо от состояния информационных входов АО, А1, А2, A3 (выводы 10, 7, 2, 15 соответственно) и ВО, В1, В2, ВЗ (выводы 11, 9, 1, 14 соответственно). Переключателем SA1 “Установка” выбирается любое десятичное число от “О” до “9”. Так, например, при установке цифры “5” на информационных входах АО, А1, А2, A3 (выводы 10, 7, 2, 15) DD1 устанавливается код 0101 (здесь и далее младший разряд справа, а старший слева). Теперь, если правую руку испытуемого установить на СП и пальцами коснуться сенсорных контактов Е1 и ЕЗ, то на входы ВО, В1, В2, ВЗ (выводы 11, 9, 1, 14 соответственно) DD1 будет подан код 0101. Другими словами, на входах А (АО, А1, А2, A3) и В (ВО, В1, В2, ВЗ) компаратора DD1 установятся одинаковые коды, поэтому при нажатии (левой рукой) кнопки SB1 “Ответ” на вход “А=В” (вывод 6) DD1 с выхода (вывода 3) DD1.1 поступает логическая единица и на выходе “А=В” (вывод 3) DD1 также появляется логическая 1. Эта 1 поступает на управляющий вход (вывод 9 DD1.3) одно-вибратора, собранного на элементах
DD1.3, DD1.4, R3, С2. В исходном состоянии напряжение питания ОСС через резистор R3 поступает на входы (выводы 12 и 13) DD1.4. Входы элемента DD1.4 “2ИЛИ” соединены вместе, DD1.4 выполняет функцию инвертора (логического элемента “НЕ”), поэтому на выходе (выводе 11) DD1.4 установлен логический 0. Также этот ноль заводится на вход (вывод 8) DD1.3, вводя DD1.3 в режим “готовности”. По положительному перепаду напряжения на входе (выводе 9) DD1.3 од-новибратор запускается: логическая единица на выходе (выводе 10) DD1.3 сменяется логическим нулем и предварительно разряженный конденсатор С2 начинает заряжаться, а элемент DD1.4 быстро переключается. На его выходе (выводе 11) появляется логическая 1, которая поступает на затвор VT1; VT1 открывается, сопротивление канала исток-сток уменьшается до единиц Ом и на активный зуммер А1 подается напряжение GB1. Звучит тональный сигнал. Через время, определяемое времязадающей цепью С2, R3, на выходе DD1.4 снова появляется логический 0 и зуммер отключается. “Обратная связь” – соединение выхода (вывод 11) DD1.4 со входом (вывод 8) DD1.3 – необходима для того, чтобы даже после снятия высокого уровня с управляющего входа (вывода 9) DD1.3 элемент DD1.4 не изменил своего состояния, а выходной импульс одно-вибратора не оборвался(не сократился). Таким образом при правильной установке двоичного кода и по началу нажатия кнопки SB1 “Ответ”, примерно на 0,5 секунды включается тональный сигнал зуммера А1, подтверждающий правильный ответ.
Если двоичный код на СП выставлен не правильно, то есть на информационных входах АО, А1, А2, A3 (выводы 10, 7, 2, 15) и входах ВО, В1, В2, ВЗ (выводы 11,9,1,14) DD1 коды не совпадают, то при нажатии SB1 на выходе “А=В” (вывод 3) DD1 логическая 1 не появляется (удерживается логический 0). Транзистор VT1 остается закрытым, сопротивление его канала сток-исток стремится к бесконечности и на его стоковой нагрузке – зуммере А1 “Правильно” и его конденсаторе фильтра СЗ, делающем работу А1 стабильной, нулевое падение напряжения. Зуммер “Правильно” не включается, указывая на ошибку в ответе.
В момент отпускания кнопки SB1 “Ответ”, на выходе RS-триггера (выводе 3) DD1.1, а также на выходе (выводе 3) DD2 (если на СП на момент отпускания SB1 удерживался код правильного ответа) образуется отрицательный перепад (спад) напряжения. А по спаду напряжения на управляющем входе (выводе 9) DD1.3 запуска одновибрато-ра, собранного на элементах DD1.3, DD1.4, R3, С2, не происходит и зуммер А1 не включается.
Далее можно переходить к следующему этапу – выбора новой цифры переключателем SA1, устному или письменному определению его двоичного эквивалента (кода) и установки этого кода на СП.
Резисторы R8, R10, R12, R14 защищают входы полевой микросхемы DD1 при касании пальцами сенсорных контактов. Резисторы R9, R11, R13, R15 совместно с резисторами R8, R10, R12, R14 устанавливают низкий уровень напряжения на входах ВО, В1, В2, ВЗ (выводы 11, 9, 1, 14 соответственно) DD1 в исходном положении (при отсутствии касания сенсорных контактов). Конденсаторы С4…С7 уменьшают вероятность паразитных наводок при работе ОСС в условиях сильных индустриальных помех. Конденсатор С1 уменьшает проникновение ВЧ-наводок в цепь питания ОСС. Входы компаратора “А>В”, “А<В” (выводы 4 и 5 соответственно) DD1 не используются и, поэтому, подключены к общему проводу.
Собранный без ошибок и из исправных деталей ОСС работоспособен при первом включении. Сначала рекомендуется проверить рабочий ток (не более 20 мА) активного зуммера А1. ОСС сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до 3…3.5 В. Для испытуемых, имеющих повышенное сопротивление кожи рук, напряжение питания ОСС рекомендуется
увеличить до +9…+12 В. При напряжении питания +12 В зуммер А1 должен иметь соответствующее номинальное напряжение питания (TR-1212y). При использовании других типов А1 (рассчитанных на другое номинальное напряжение) в цепь стока VT1 можно включить то-коограничительный резистор, которым устанавливается рабочий ток не более 20 мА [одинаковый для всех (TR-1205у, TR-1209у, TR-1212у) подтипов зуммера А1]. Если максимальной громкости звучания зуммера не требуется, для ОСС можно приобрести зуммер, рассчитанный на максимальное рабочее напряжение. Дополнительно можно также оперативно снизить громкость звучания зуммера, заклеив его звукоизлучающее отверстие кусочком скотча или изоленты.
Если повышения напряжения питания ОСС окажется не достаточно для уверенного наведения пальцами логической 1 (как минимум 55% от напряжения GB1) на входах (выводах 11,9,1,14) DD1, номиналы резисторов R9, R11, R13, R15 можно увеличить до 3,9…5,1 МОм, а номиналы конденсаторов С1 …С4 уменьшить в два раза. Других изменений в схеме ОСС не потребуется.
При длине соединительных проводников, ведущих от печатной платы к сенсорным контактам, более 30 см, рекомендуется применить витые пары. У витой пары второй (экранирующий) провод со стороны платы подпаивается к общему проводу, а со стороны сенсорного контакта остается незадей-ствованным. В авторском экземпляре ОСС длина соединительных проводников, ведущих к сенсорным контактам, составила не более 20 см, и мер повышения помехоустойчивости при работе в условиях помех не потребовалось.
Детали
В ОСС применены постоянные резисторы МЯТ, С2-23, С2-33. Конденсаторы С1…С5 керамические типа KM, К10-7, К10-17. Транзистор VT1 можно заменить любым из серии КП501 …КП505, BS170 (разные цоко-левки) и даже мощным типа IRF840.
Возможная замена зуммера А1 -TR-1205y (5 В, 20 мА), НМВ-06 STAR (d = 15 мм, h = 14 мм). Микросхема DD1 К561ЛЕ5 (CD4001); DD2 -564ИП2 с удлинением выводов (К561ИП2 или МС14585А). Тумблер SA2 – МТ1 можно заменить MTS-202, малогабаритным MTS-102, особо малогабаритным SMTS-102 или любым, например кнопочным (с выключением повторным нажа ием), имеющим два нормально разомкнутых контакта с рабочим током не менее 20 мА (рабочий ток А1). Кнопка SB1 типа KM1-I.
ОСС питается от батареи типа 3336J1 с номинальным напряжением +4,5 В или через сетевой (-220 В) адаптер (блок питания) с выходным стабилизированным напряжением +4,5.. .9 В и током не менее 20…30 мА. Не исключается вариант питания игры от многократно перезаряжаемого Ni-Cd аккумулятора “Ника” (+9 В, 100 мА*час) отечественного производства, или аккумулятора зарубежного производс ва типа “ANSMANN” с номинальным рабочим напряжением +8,4 В и емкостью 120 мА*час.
Печатная плата
Печатная плата игры выполнена из односторонне фольгирован-ного гетинакса или стеклотекстолита размерами 54x41x1,5 мм (см. рис. 3 и рис. 4). Диаметр отверстий на печатной плате под микросхемы 0,7…0,8 мм, под остальные радиоэлектронные компоненты -0,8…1 мм, под соединительные проводники – 1… 1,2 мм, под крепежные отверстия – 3,2 мм. Отверстия в корпусе игры под кнопку SB1 -8 мм, тумблер SA2 – 8 мм. Под SA1 в авторском варианте ОСС вырезан прямоугольный паз размерами 22,5×24,5 мм.
Все детали ОСС располагаются в подходящем корпусе прямоугольной формы из изоляционного материала с внутренними размерами 200x150x40 мм, не менее. (Высота корпуса определяется размером SA1). Внешний вид верхней крышки корпуса, одновременно являющейся и фальшпанелью, и сенсорным пультом, на котором располагается ладонь правой руки испытуемого, приведен на рис. 2.

Конструктивно сенсорные контакты Е1…Е4 выполнены в виде винтов (или болтов) М4…М8. Для увеличения площади сенсорных контактов между их головками и фальшпанелью прокладываются уширенные шайбы. С внутренней стороны корпуса на эти винты надеваются лепестки (для пайки проводников, соединяющих сенсоры с платой), затем – шайба, пружинная шайба и гайка. Для улучшения внешнего вида сенсорных контактов
рекомендуется использовать винты и шайбы из латуни (а не стальные оцинкованные). Однако лучший вид имеют винты, покрытые хромом или никелем.
Для изготовления фальшпанели рекомендуется распечатать на цветном принтере изображение фальшпанели (рис. 2). В масштабе 1:1 рисунок имеет размер 200×150 мм. Распечатанный рисунок ламинируется и наклеивается на верхнюю крышку корпуса ОСС
После просушки на заламинированной поверхности шилом намечаются центры всех отверстий, и производится сверление отверстий. Для исключения повреждения заламинированной поверхности на головки всех винтов рекомендуется надеть паранитовые (или, как минимум, латунные декоративные) шайбы.
Рисунок печати – “трассировка печатной платы” – (см. рис. 4) может быть перенесен на медную фольгу методом термопереноса или переведен при помощи копирки и обведен кислотостойкими перманентными маркерами. Подойдут, например, маркеры centropen 2846 СЕ PERMANENT или другие, специализированные, для подписывания компьютерных CD дисков.
Пайку радиоэлектронных компонентов следует вести заземленным жалом паяльника. Обоитись без заземления можно, применив для ИМС и полевого транзистора специальные розетки, и установив в них “полевые структуры” по окончании пайки остальных деталей.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты