Сейчас даже в чайнике можно найти микроконтроллер со своей прошивкой, и этим уже никого не удивить. А вот то, что можно обойтись без микроконтроллера только «железной» логикой, современного электронщика может реально вогнать в ступор. И именно такое состояние настигло меня, когда я в сети наткнулся на проект “RF74xxID The Multifunction Passive 7400 RFID Tag”. Перевод конечно же есть на Хабре.
На тот момент я на столько был поглощён микроконтроллерами, что даже не задумывался о том, что еще каких-то пару-тройку десятилетий назад электронщики как-то обходились без них, и даже ракеты в космос пускали.
В общем, в какой-то момент это стало для меня навязчивой идеей, и я решил хотя бы примерно повторить пройденный автором путь. С тех пор мне не нужна рыбалка или охота, можно не бегать по лесу в поиске грибов, или не ждать футбольные матчи по телеку! Я понял, что для электронщика электроника тоже может быть хобби!
Конечно, делать что-то масштабное типа R-FID метки у меня бы не хватило терпения. Поэтому я решил на первый раз взять что-то по проще.
Первый мой проект на около электронную тематику был светофор. Выполнен он был на 6-ти вольтовых лампочках, которые я красил лаком в нужные цвета. А переключение светофора производилось самодельным пакетником из фанеры. И именно светофор я решил сделать на логике. Согласитесь, что символизм в таком деле очень важен!
Я не очень люблю лепить макеты на перемычках, как по мне, проще сразу оттрассировать печатную плату и откатать ее утюжком. Так появился первый прототип, и конечно же в нем не обошлось без косяков. Пришлось перекинуть пару связей перемычками.
Изготовив “чистовой” вариант макета, мне показалось, что “первенец” все-таки должен быть более масштабным, пусть не с точки зрения схемотехники, но так хоть размерами! Вспоминается анекдот: “наши микросхемы — самые большие микросхемы в мире! Ура, товарищи!”
Так как я долгое время работал преимущественно с поверхностным монтажом, решено было собирать финальный вариант полностью на осевых компонентах. Для наглядности были распечатаны пластиковые накладки. Делать корпус целиком я не стал, прятать всю эту красоту было просто не допустимо!
О это забытое чувство, когда пальцы формовали выводные резисторы и проволочные перемычки. Цветовая маркировка – это просто как радуга в небе… особенно для частично дальтоника. До сих пор не пойму, как отличить красное и коричневое кольцо. И конечно же паять все это можно было только “православной” канифолью! Финальным аккордом должна была стать версия в “зеленке”, с перемычками морочиться уже не стал и заказал двухстороннюю плату.
Финальная версия получила расширенный функционал. Добавил звуковое сопровождение для зеленого сигнала светофора. Перевел плату на питание от 12В. Светодиодов стало заметно больше. Но делать полноценные прожекторы трех цветов я все-таки не стал, обошелся колечками.
При проектировании я понимал, что современный светофор с удаленным контролем у меня конечно же не получится. Но тем не менее, хотелось добиться функциональности, максимально приближенной к реальным условиям. Поэтому для себя я поставил следующие условия: светофор должен иметь таймер обратного отсчета на основе двух групп семисегментных индикаторов соответственно красного и зеленого цветов; длительность работы красного и зеленого сигналов должна определяется положением DIP – переключателей в формате BCD.
Слева в карандаше эскиз от руки структурной схемы первой версии маленького светофора без звука. Справа – полная структурная схема светофора.После подачи напряжения питания блок переключения сигналов светофора формирует сигнал загрузки времени работы красного сигнала светофора. Значение времени определяемые положением переключателей в блоке установки длительности включения красного сигнала записывается в реверсивный счетчик.
На каждый тактовый импульс от генератора с частотой 1Гц происходит декремент счетчика.
Выходные сигналы единиц и десятков секунд поступают в дешифратор, с выходов которого полученный семисегментный код усиливается по току и инвертируется драйвером семи сегментного дисплея. Усиленный сигнал включает комбинацию разрядов индикатора, соответствующую текущему двоичному состоянию реверсивного счетчика.
В момент перехода счетчика из единицы в нулевое значение формируется сигнал включение желтого сигнала светофора и выключение блоков индикации времени красного и зеленого сигналов.
После окончания обратного отсчета, блок переключения сигналов светофора переключает свое состояние. В результате чего реверсивный счетчик загружается значением времени включения зеленого сигнала светофора, происходит выключение красного и желтого, а также включение зеленого сигнала светофора.
Когда время работы зеленого сигнала уменьшится до трех секунд, схема разрешения мигания зеленого сигнала подключит тактовый сигнал на линию управления зеленым цветом, что заставит его трижды переключиться с периодичностью в одну секунду.
По истечению времени работы зеленого происходит кратковременное включение на один тактовый импульс желтого цвета. После чего весь цикл работы светофора повторяется сначала.
Дешифратор сигналов светофора получает комбинацию сигналов от других блоков и формирует выходные сигналы управления светофором и переключает красную и зеленые пару индикаторов.
Синхронно включению зеленого сигнала светофора происходит включение генератора звукового сигнала на частоте 2,5КГц. Звуковой сигнал формируется пакетами с периодичностью в одну секунду и усиливается усилителем звуковой частоты для вывода в динамик. В момент мигания зеленого сигнала светофора частота звуковых импульсов возрастает. Импульсы звуковой частоты формирует тон-генератор, а параметры звуковых импульсов определяет импульсный модулятор.
В итоге, получилась следующая электрическая схема.
Цепи питания
Тактовый генератор
Блок установки красного и зеленого
Реверсивные счетчики и схема разрешения мигания зеленого сигнала
Дешифратор сигналов светофора
Драйвер семисегментного дисплея
Семисегментный дисплей
Сигналы светофора
Генератор звукового сигнала
Заключение
Итак, друзья! В итоге я получил огромное удовольствие от самого процесса, сэкономил денег на снастях и удочках, и ни одного дикого животного в лесу не пострадало! Также на годы вперед у меня появилось новое увлечение, которым я хотел поделиться с вами.
А при чем же здесь Beatles, надеюсь, вы и сами догадаетесь!
P.S.
В 2018 году эта схема использовалась в качестве задания для одного конкурса по электронике. И мне пришлось немного адаптировать форм-фактор устройства. Но это уже другая история…
Комментарии (62)
engine9
23.10.2022 11:50+1Если вдруг кто-то захочет смастерить упрощенную модель, вот есть интерактивная схема.
Предполагаю, что можно обойтись без элементов 2ИЛИ и 4ИЛИ, заменив их диодами. А кольцевой счётчик сделать из двух микросхем, двоично-десятичного счётчика и дешифратора. Поправьте, пожалуйста, если не прав.
OldFashionedEngineer Автор
23.10.2022 11:57+2Хотел ещё в статье написать, чтоб схемы с дешифраторами не предлагали))) вместо или наверное будет проще на диодах монтажное или сделать, вариотивность интервалов будет проще регулировать. Но мне такой вариант не подходит, нужно было иметь возможность регулировать время работы в широких пределах.
engine9
23.10.2022 12:02А как делали самые светофоры во времена до появления ИМС? На транзисторах или реле? Может быть шаговых переключателях как в АТС?
Просто интересно.OldFashionedEngineer Автор
23.10.2022 12:08+1Что-то не задавался этим вопросом. Надо нагуглить будет.
HardWrMan
23.10.2022 12:33+2Комментом ниже я упомянул, как мой двоюродный старший брат собирал светофор на реле РЭС22. Так же дом, где я провёл детство был на крупном перекрестке и ящички управления светофором висели на его стене за домом. И я помню, как там что-то постоянно щёлкало. А потом в какой-то момент перестало щёлкать, но светофор продолжал работать. Что касается реле против шагового искателя, то шаговый, конечно, удобнее, это же по сути дешифратор в логике. Но вроде как они были не особо надёжны (по крайней мере мне связисты с АТС так говорили) и требовали постоянного обслуживания, а я не помню, чтобы к ящичку управления светофором приезжал человек прям часто. И то, когда что-то прям не работало.
AntonSor
23.10.2022 12:42+3Командоаппарат с моторчиком. Мотор с редуктором крутил галетник, грубо говоря
OldFashionedEngineer Автор
23.10.2022 12:59+1На старых микроволновках так делали
BigBeerman
23.10.2022 13:19+1стиральных машинах, наверное, в микроволновке моторчиком крутится таймер, а регулятором мощности выставляется длительность включения магнетрона, разбирал такой. Вот в стиралке сложная штуковина с кучей контактов.
А в чем проблема сделать на реле? Трехканальное реле времени, моргалка(её тоже можно на реле реализовать) и несколько релюшек, в 70-х вполне себе могли так делать.
OldFashionedEngineer Автор
23.10.2022 13:28+2Да, точно, Вы правы, скорее это в стиралках было. В микроволновке просто таймер.
У меня в детстве были командные барабаны из текстолита. Им зубы выбивали для программирования. Отец приносил играться с работы.
salnicoff
24.10.2022 22:40Самые первые — на электромоторчике. Он вращал четыре стрелки (по числу сторон перекрестка), которые бегали по диску с четырьмя зонами (для каждой — красная, две желтых, зеленая). Красный был внизу, а у стрелок был фрикционный механизм, и если моторчик обесточивался, то все стрелки плавно поворачивались вниз и показывали на красный сектор. Никакой электроники, вся логика на шестеренках.
HardWrMan
23.10.2022 12:20+6Схем светофоров на логике было много. В том же радио, от простейшего варианта на серии К155 до сложного варианта на 2 стороны с правильной логикой (красножёлтый перед зелёным и мигание зелёного перед жёлтым) на К561/К176 серии. Я в 1987 году как раз собирал из журнала Радио 7'87:
Это всё банально и не сложно. Другое дело мой старший двоюродный брат годом ранее собрал односторонний светофор но с полным правильным циклом полностью на реле РЭС22! И смотреть на этот щёлкающий комок проводов и реле было просто залипательно для меня. Брат тогда обьяснил мне основы логики и когда я ему показал свой вариант светофора по схеме из журнала Радио он прям и погрустнел и порадовался одновременно. И я его понимаю теперь.
PS Эта схема на 4 стороны, но она упрощённая, здесь красный соединён с зелёным перпендикулярной стороны. И поэтому красный мигает в конце а красно-жёлтого сигнала нет. Исправить/доработать её можно, для этого надо добавить ещё 2 канала и несколько диодов. Так поступили в схеме из журнала Радио 2-3'92:
Вот это полноценный светофор на 2 стороны. И подумать только, всё это можно заменить одним ATTiny2313.
OldFashionedEngineer Автор
23.10.2022 12:53Схемы, которые Вы предлогаете, сделаны на дешифраторах. Так сложно регулировать время переключении. А мне хотелось, чтоб была возможность настраивать время.
HardWrMan
23.10.2022 13:52Ну я же написал - банальщина. Что касается времени, то настоящие современные светодиодные светофоры имеют цифровую связь с командным центром. Каждая "лампа" теперь с мозгами и некоторые из них имеют индикатор времени, а само время посылается из командного центра. Командный центр всё тот же ящичек неподалёку. И современные светофоры позволяют гибко настраивать не только время, но и циклы (если там секция и не одна, если, например, отдельный зелёный для поворота налево при встречном красном и прочие особенности конкретного перекрёстка). И не говоря о программируемой зелёной волне, задаваемой из главного центра. Такое трудно делать на логике.
OldFashionedEngineer Автор
23.10.2022 14:32+1Я в статье упоминал то, что современный светофор мне не осилить. Но хотя-бы график реальный, время настраивается и выглядит эта штука эпично, ну или эпически))))
HardWrMan
23.10.2022 16:55+2и выглядит эта штука эпично, ну или эпически))))
Эт точно! Я только из-за картинки и зашёл сюда. А так тема светофоров для меня закрыта давным давно, уже более лет 30.
OldFashionedEngineer Автор
23.10.2022 20:23+2Да как же без светофоров обойтись? Это же как часы на микроконтроллере или метеостанция на ардуино!
vadimk91
24.10.2022 10:46Мне что понравилось в современных светофора, так это использование похоже многоцветных светодиодов. Таймер, сколько осталось секунд, отображается либо зелёным, либо красным на месте, где при переключении жёлтый сигнал. И по матрице видно, что это не отдельные светодиоды.
HardWrMan
24.10.2022 11:06Ну это да, иногда подешевле - двухцветные на цифрах + жёлтые вокруг это для центрального светильника и одноцветные для красного верхнего круга + зелёные для нижнего круга. Вот таких у нас много. Но самый смак не в этом - надёжность выше. Ведь каждый светодиод это отдельная лампочка по сути. Когда были обычные лампы накаливания, я замечал работу службы, которая их меняла. А сейчас увидеть работу такой службы это удача. Зато куча светофоров, у которых из всего круга процентов 40 светодиодов уже не светится + несколько мигают.
PS Светодиоды мигают потому, что от перегрева у них расширяется кристалл и обрывает проводок, который подключается сверху кристалла. Потом, с каждым включением происходит осцилляция: кристалл нагревается - цепь размыкается - кристалл остывает - цепь замыкается. И так пока подаётся питание.
OldFashionedEngineer Автор
24.10.2022 11:16Я встречал светофоры, в которых не заморачивались и обратный отсчет делали белым. Использовался один и тот же счетчик и для красного и для зеленого
HardWrMan
24.10.2022 12:27Ну с белым счётчиком и у нас есть. Причём, как отдельная секция счётчика, так и встроенный в какой-то сигнал.
OldFashionedEngineer Автор
24.10.2022 12:58Я так понимаю, что ГОСТ на светофоры очень размытый, по этому встречаются разные "трактовки".
OldFashionedEngineer Автор
24.10.2022 11:13Я пока на RGB светодиодах не встречал. А может быть просто не присматривался давно к светофорам. Одно точно скажу, для реальных уличных светофоров нужны светодиоды с защитным покрытием от УФ. Часто производители об этом не беспокоятся. В итоге после первого же жаркого южного лета светофор уходит в утиль.
vadimk91
24.10.2022 17:47Я впервые увидел такой светофор, где не горит часть светодиодов, недавно в Махачкале. Но только один, остальные были как новенькие. Дома (Карелия) хожу на работу через жд переход, ему уже лет пять, если не больше, так там на светофоре некоторые зелёные светодиоды просто теряют яркость. Жара у нас бывает пару недель за год. А вот светодиодные фонари там же уже только половина работает, и менять светильники разумеется никто не собирается.
belch84
23.10.2022 12:47+4А при чем же здесь Beatles, надеюсь, вы и сами догадаетесь!
Правильно?
OldFashionedEngineer Автор
23.10.2022 12:56+2Это отличное предположение, я бы сам лучше не придумал. Но моя ассоциация в другом: битлы как раз стали популярные примерно в одно время, когда популярность обрела 7400 серия. Но Ваша точка зрения конечно мне больше ????
Я наверное даже приму её за основную, и буду всем говорить, что так изначально задумано)))
AntonSor
23.10.2022 15:32Во времена Битлов была логика РТЛ, резисторно-транзисторная. А ТТЛ логика больше времена Pink Floyd и Deep Purple :)
OldFashionedEngineer Автор
23.10.2022 15:58+1Если верить Википедии, начало выпуска 7400 серии это 63-65. До тексиса ещё две конторы уже выпускали ттл логику. Битлы тоже в 60е петь начали.
Chelidonium
23.10.2022 13:27+1очень интересный пост по схемотехнике, но если чуть другое,
офф, но важно, дискуссии про несовершенства пешеходных
светофоров идут уже наверное лет 20 примерно в таком ключеBigBeerman
23.10.2022 15:00ну в последнее время ситуация меняется, даже в моей деревне многие светофоры перестроили на полный запрет движения транспорта во время движения пешеходов, правда, сократили длительность зеленого для них.
OldFashionedEngineer Автор
23.10.2022 16:37Значит скоро и до вас пробки доберутся
BigBeerman
23.10.2022 19:45какие пробки в деревне, вы что. Разве что пешеходы не сразу привыкли, ломились по привычке на зеленый для машин
OldFashionedEngineer Автор
23.10.2022 19:50+4Хорошо настроенный светофор может пробку и на пустой дороге собрать
axe_chita
23.10.2022 15:58+5Мелкая логика рулит:)
Статья как бальзам на душу, так сказать возвращение к корням и запаху канифоли!OldFashionedEngineer Автор
23.10.2022 16:39+2Меня именно по этому данная тема и зацепила
axe_chita
23.10.2022 17:05+3Тут главное вовремя остановиться, иначе вдруг теплый ламповый свет катодов триодов, тетродов и пентодов неожиданно осветит всё вокруг новыми красками.
Так что будем ждать следующую статью.OldFashionedEngineer Автор
23.10.2022 17:13+3За прошедшие годы уже осветил дальше некуда, есть ещё про что писать. Десяток проектов точно имеется
kirich46
25.10.2022 12:18+1Прочитал с удовольствием, с микроконтроллерами так и не подружился, лично мне проще сделать на логике, но извините, а почему ток светодиодов светофора ничем не ограничен?
OldFashionedEngineer Автор
25.10.2022 14:26Спасибо за Ваш комментарий, я ждал его уже несколько дней. Ток светодиодов в этой схеме ограничен напряжением стабилизатора и самими светодиодами. Диоды, которые я использовал очень "терпеливые", в отличии от синих, белых и лазурном зелёных. Такие диоды прекрасно стабилизируется в группах. На эту тему есть хорошие статьи у крю, современные технологии позволяют достичь высокой симметрии при производстве кристаллов. Важно не перегревать диоды, и все работает.
raspberry_pi_soft
Спасибо за статью, очень интересно было!
В своё время поразило, что были калькуляторы на транзисторах, причём программируемые и с отображением нескольких строк на экране - HP 9100a :
Без единой цифровой микросхемы... Стоил очень дорого, конечно, но в 1968 году возможности у него были лучше, чем у моего МК-61 в 1988 году. Могу представить сложность схемы вычисления того же синуса, на транзисторах.
OldFashionedEngineer Автор
Вот бы посмотреть хоть одним глазком его схему!
У меня отец когда-то ремонтировать подобную технику. Я в детстве игрался с электромеханическими калькуляторами. Но, к сожалению, увлёкся логикой уже после того, как отца не стало. Теперь не у кого спрашивать.
raspberry_pi_soft
Тут что-то похожее на схему есть
engine9
Офигеть, у него дисплей на трубке...
OldFashionedEngineer Автор
К стати, встречал схемы знакогенераторов без ПЗУ. Надо будет освежить этот вопрос.
HardWrMan
ПЗУ это не обязательно интегральная микросхема. Это может быть и набор диодов и просто какая-то логика. А когда у тебя набор символов сильно ограничен (как например с этим калькулятором), то ПЗУ уже и не нужно по сути. А алфавитно-цифровой дисплей всегда проще графического, в том числе и по управлению.
OldFashionedEngineer Автор
Ну не думаю, что сильно проще, особенно если он на элт
HardWrMan
Вот многим известный дисплейный модуль ЮТ-88:
Всё, что за пределами красной черты не относится к генерации изображения. Сам модуль генерирует стандартный ТВ сигнал алфавитно-цифрового дисплея с матрицей 64х25 символов, 6х10 точек каждый. Если предположить, что у калькулятора всего 4 строки и символов в строке 32, то синхрогенератор (это логика в центре) сокращается вдвое, а если учесть, что здесь не требуется ТВ стандарт развёртки, то и ещё пару корпусов можно сократить. Из-за того, что сканируемое поле сильно уменьшилось (требуется всего 32 х 4 = 128 ячеек) а так же количество символов сильно ограничено (скажем, 4 бита: 10 цифр + 6 спецзнаков) то ОЗУ (DD5-DD8) так же сокращается до одного корпуса. Как и мультиплексоры доступа (DD2-DD4). И потом этот остаток не сложно перевести на транзисторы.
OldFashionedEngineer Автор
Эти задачи сегодня нам аажутся элементарными, но тогда конечно это был титанический труд.
HardWrMan
Кто ж спорит то? Тем не менее - решаемо. И цену за решение ставят сначала соответствующую.
OldFashionedEngineer Автор
Оно то решаемо. Но раньше эти задачи имели научную новизну. А сейчас большинство инженерных задач просто применяют готовые решения.
raspberry_pi_soft
Точно, на трубке...
Тут краткое описание схемы, кроме транзисторов, ещё 4 ОУ.
OldFashionedEngineer Автор
Поизучаю на досуге, спасибо
raspberry_pi_soft
Похоже, и программу на магнитную карту записать можно было
abutorin
Так сложность полсностью совпадает со сложность "цифровых" микросхем. У них ведь внутри тоже самое. Просто тут не "микро" схема, а "макро" схема.
vadimk91
Может быть синус не вычисляли, а просто значения были зашиты в ПЗУ, были же еще в 80х популярные таблицы Брадиса
OldFashionedEngineer Автор
Я на avr частенько этим грешил. ПЗУ обычно в избытке. Заранее вычислял в экспле необходимые значения, а функция потом возвращала нужное из пзу
salnicoff
Сложность не поменялась. Просто сейчас все эти транзисторы упакованы в одну микросхему, а раньше была «рассыпуха» на десятки плат. Большие Железные Компьютеры той эпохи тоже без микросхем обходились. Просто раньше все проблемы лежали на проектировщике девайса (не так тразисторы спаял — девайс не работает), а теперь — на разработчике микросхем (не так транзисторы на кристал нанес — не работает микросхема, и никто на ее основе девайсы не делает).
OldFashionedEngineer Автор
Получается, что небольшая группа людей занимается схемотехникой на уровне кристаллов, а остальные превращаются в инженеров по применению )))
salnicoff
Так и есть. Все меняется. Даже слова «собрать компьютер» сорок лет назад означали «спаять кучу микросхем и заставить их работать», двадцать лет назад — «купить кучу плат, воткнуть друг в друга и завинтить десяток винтов», сейчас — «воткнуть проводок от монитора в коробочку» (потому что клавиатуры стали беспроводными). Еще через двадцать лет термин исчезнет из массового языка, потому что будет беспроводной интерфейс мониторов, и втыкать будет нечего...
OldFashionedEngineer Автор
Когда-то и обычное письмо написать или прочитать нужен был специально обученный человек!