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[教學文] 快說!怎樣不用Arduino也能做出電子鐘!!(計數器篇)

在前一篇文章  [教學文] 快說! [教學文] 快說!怎樣不用Arduino也能做出電子鐘!!(555 IC篇)中,我們介紹了555IC的故事及應用, 本文要帶讀者們進入下一個部分:

 

計算時脈的計數器

 

生活中最常見的計數器應該是去遊樂園玩的時候,總會有人站在門口,手裡拿著一顆黑黑的東西一直按,那便是常見的機械式計數器,每按一下計數器上的數字就會加一。而另一個常見的計數器,就在汽機車的儀表板上。若仔細觀察,儀表板下方會有一排數字,車子每前進一公里,白色部分就會一直累加,直至全部變為9999或按下歸零按鈕為止。電子電路也有相同功能的IC,那就是7490系列。

作者/攝影

CAVEDU實習生 陳俊霖

文章分類教學技術文
時間

約1hr

成本

約50元

難度**(1-10)
材料表
  • 指撥開關(4位元) *1

  • IC:74LS90*1、555*1

  • 電阻:1kΩ*1、220Ω*5

  • LED*5

  • 杜邦線或單心線

  • 10uF電容*1

  • 0.1uF電容*1

(若想購買相關材料,請洽機器人王國商城)

7490是一顆10模計數器,與其相似的IC還有7492(12模計數器)、7493(16模計數器)、74390(雙十模計數器)⋯⋯等等,他們的功能就是每接收到一個時脈訊號(CLK)便把輸出加1,直至特定模數(Mod)為止。

 

舉例而言,一開始計數器的輸出是0000(二進制),在一個時脈訊號進來後,計數器會將輸出加一,此時輸出變成0001(二進制),再加入一個時脈訊號後輸出變成0010,以此類推一直至輸出變成1001(十進制的9)時,7490會自動將計數器歸零。

 

所以,整個計數器的輸出就是:0000>0001>0010>0011>0100>0101>0110>0111>1000>1001>0000⋯⋯如此循環。

 

讀者可能納悶:明明是10模為甚麼只數到9?別忘了,還有一開始的0也要算進去呀!

圖1 74LS90外觀

 

仔細瞧圖中IC上的文字,為甚麼是「74”LS”90」,而非標題的7490?他們是一樣的嗎?

 

廣義來說,是的,他們都是7490系列的IC,功能相同,接腳也相同。

 

但若就消耗功率及速度來看,他們是不一樣的,這部分就跟積體電路的製造技術和結構有關,在此不多贅述,有興趣的讀者可以上網找TTL邏輯,以獲得更多相關知識。

 

接下來讓我們看看7490的腳位:

圖2 7490腳位圖

 

74LS90 Datasheet (TI) : Decade, Divide-by-Twelve And Binary Counters (Rev. A)

 

其中:

第14腳(CKA)和第1腳(CKB)是時脈訊號輸入,輸入時脈訊號。第4腳和第13腳(NC)是指「No Connected 」的空腳位,是允許浮接的。Vcc 與GND分別接至電源的正和負。

 

第12腳、第9腳、第8腳及第11腳(QA~QD)是資料輸出,其中QDMSB(Most Significant Bit,最高有    效位元),是權序最大的。R0(1)、R0(2)與R9(1)、R9(2)皆為控制接腳,可以運用邏輯運算控制此接腳,讓計數器運用更廣泛。

圖3 7490構造圖

 

由圖3可看到,R0(1)、R0(2)和R9(1)、R9(2)皆各別接至一個「NAND」的符號,而NAND後又接至正反器(Flip-Flop)下面的小圓點,那個小圓點相當於機械式計數器的歸零鈕,只要這個腳位處於低電位,計數器便會歸零。

 

所以我們的R0(1)、R0(2)和R9(1)、R9(2)若同時為1時,NAND輸出0,計數器就會歸零,並且重新計數。

 

這裡提供一些關於數位邏輯的參考資料給讀者,想更深入研究可以參考教育部的教育大市集 :  基礎數位邏輯。雖然數位邏輯並不是那麼容易學習,但我們CAVEDU教育團隊也提供易於學習的Boson Inventor Kit  ,讓所有有興趣的大小朋友可以了解數位邏輯的有趣之處!

 

言歸正傳,就讓我們動手做出10模計數器吧!

 

Step1:7490如圖接於麵包板上,按鈕開關上拉電阻使用1kΩ,LED 限流電阻使用220Ω。將開關和電阻的連接端連接至7490的CKA(第14腳),QA輸出端接至CKB(第1腳),R1和R9腳全接地。QA~QD串聯220Ω電阻後連接LED,方便判讀數值。

圖4 接線圖

 

圖5 電路圖

 

小提示:麵包板模擬圖上的電阻值與我們要使用的不同,圖4只是給位置參考而已,實際電路元件數值如圖5所示。

 

完成接線後,確認正負極無誤就可以通電測試嘍!

圖6 完成圖

 

每按下一次按鈕開關,LED燈就會顯示二進制的數字,從0到9之後又歸零。

 

那麼我們把上次的555電路與這次的計數IC做結合,接成如下電路:

圖7 555+7490接線圖

 

小提示:麵包板模擬圖上的電阻值與我們要使用的不同,圖7只是給位置參考而已,實際電路元件數值如圖8所示。

圖8 555+7490電路圖

 

把555的第三隻腳(OUT)接至7490的CKA,我們用555取代我們手按開關的動作,就可讓它自動計數了!

 

看著LED燈號一顆顆往前堆疊,是不是挺有趣的呢!若我們再發揮一點想像力便會發現,若迴圈執行一次相當於產生一個時脈訊號,計數器的功能好比於程式語言i=i++,每當迴圈執行一次,就將變數+1,每收到一個時脈,輸出就+1。

 

延伸挑戰:

讀者可發揮創意將555產生的時脈訊號用其他元件取代,例如改成傾斜開關,就變成計步器了 ; 若改用旋轉編碼器,就可計算轉動的次數呢;裝在存錢筒上還可以幫自己算錢呢!

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[教學文] 快說!怎樣不用Arduino也能做出電子鐘!!(555 IC篇)

  現在是微處理器盛行的時代,許多東西皆簡化成以一顆MCU取代所有電路,但要編寫MCU需要的不僅僅是程式語言編寫能力,還要有很多基本程式觀念及門檻,以及要有一台電腦才能作業。想像一下70年代的矽谷,電腦一台要價4,700,000美金,這可不是人人負擔得起的,那麼那時的電子鐘要怎麼製作出來呢?

 

本系列專題就要帶大家不用Arduino做出電子鐘。電子鐘分成三個部分:

  1. 頻率為1Hz的時脈
  2. 計算時脈的計數器
  3. 顯示數字的七段顯示器

本篇重點在於介紹1Hz時脈的產生。

作者/攝影

CAVEDU實習生 陳俊霖

文章分類教學技術文
時間

30mins

成本

約20元

難度*
材料表
  • 麵包版X1

  • IC555  X1

  • 杜邦線或單心線

  • 剝線鉗x1

  • 電池組x1

  • 51k電阻 x1

  • 47k電阻x1

  • 10u電容x1

(若想購買相關材料,請洽機器人王國商城)

  對於沒有學過電子電路的讀者想必對555這組數字很陌生,有人說555的名字是來自於使用三顆5KΩ的電阻,所以就直接取名為555,也有人說555只是當時老闆喜好的一組數字而已。

 

  當時工程師Hans R. Camenzind花費好幾周的時間想出方法,運用簡單的電晶體與電阻,做出可任意調整周期與空占比的電路,使用時只需外加電阻與電容,便可完成相似於能夠程式化編寫的時脈產生器。雖然現今電腦普及,但我們仍可用不到10元的價格從網路取得555計時晶片,現在就讓我們看看怎麼使用這顆「經典IC」吧!

 

  555的功能主要分成三種:單穩態模式、雙穩態模式及無穩態模式。我們這次使用的是無穩態模式,這種模式用在產生方波,如同它的名稱,無穩態表示不會穩定下來,會一直震盪。至於其他的使用模式在先前文章有提過,不妨參考看看:[ 電路設計軟體Multisim Blue ] 自己來設計一個腳踏車方向燈吧!

圖1 555IC外觀

 

Step1:首先,我們拿出麵包板,並將555 IC、電阻、電容如圖連接。

圖2 麵包板電路

 

圖3 接線圖

 

小提醒:

  麵包板模擬圖上的電阻值與我們要使用的不同,圖2只是給位置參考而已,實際電路元件數值如圖3所示。

 

  在這裡跟大家補充介紹555的腳位及對應功能,以及IC腳位識別:

圖4 IC接腳辨認

 

  第一次看到IC時,請仔細觀察它的表面會有一個小圓點在IC的邊角(有的IC其中一邊有一個缺口)。那個圓點的位置,就是IC的第一隻腳(若是只有一邊有缺口的,就把缺口朝向自己的左手邊,左下的腳就是第一隻腳)。若腳位接錯會使電路無法作動,嚴重一點會使整顆IC燒壞。

圖5 555 接腳圖

第1腳(接地GND):接至電源負極

第2腳(觸發TRI):當此腳位電壓低於1/3Vcc時,會使第三隻腳(OUT)輸出高電位,且讓第7腳(DIS)對地開路。

第3腳(輸出OUT):555IC的輸出腳,受到2、4、6腳控制產生對應的輸出。

第4腳(重製RST):若此腳電壓低於0.4v時,會使第三腳(OUT)輸出為低態。

第5腳(控制 CTRL):控制晶片的閾值電壓,一般使用都接一顆0.1uF電容後接地。

第6腳(臨界 THR):當此腳位電高於2/3Vcc時,會使第三腳(OUT)輸出為低態,且讓第7腳(DIS)對地短路。

第7腳(放電 DIS):與第3腳(OUT)同步動作,第3腳輸出高態則第7腳對地開路;第3腳輸出低態第7腳對地短路。

第8腳(電源Vcc):接至電源正極

 

  以TI生產的 NC555為例,最高可接至18V電源,輸出腳可輸出200mA,使用時也要注意負載有沒有超出額定功率。而這次元件和工作模式都和上面提到的文章:[ 電路設計軟體Multisim Blue ] 自己來設計一個腳踏車方向燈吧!一樣。

 

  頻率公式 f = 

 

  我們將頻率設定成1Hz,並使用常見的電子元件得到元件數值:R1=51kΩ、R2=47kΩ、C=10μF。(由於電阻與電容的製造誤差,出來的時間無法太精準。)連接完成後接上電源,LED燈就會一秒一秒閃爍了!

圖5 成果

 

成果影片:

 

  為什麼我們在今日仍需要555 IC呢?因為,555的發明讓只想產生簡易時脈功能的Maker,不必仰賴MCU去編寫一個相似於Arduino裡的「Blink」程式,更能降低生產成本且電路也很簡單。而555的應用還不只這些,許多有關脈波的應用,例如伺服馬達(Servo motor)控制電路;以及頻率應用,例如音調產生器(Tone Generator)⋯⋯等等,讀者們還可以發揮創造力與想像力來運用555 IC。

 

延伸挑戰:

  1. 既然頻率可由公式計算出來,我們是否可把R1、R2以可變電阻取代呢?會產生甚麼變化呢?

  2. 若把可變電阻改成光敏電阻、熱敏電阻,又有什麼應用呢?

  3. 若把第3腳(OUT)連接至小型揚聲器上,會有甚麼事情發生呢?

 

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[ 2018小小自造者冬令營-Boson篇 ] 2018.1.29-2.2小朋友的創作魂大爆發!!

當小朋友遇上Boson電子積木套件,會花生什麼事呢?

在CAVEDU教育團隊主辦的「2018小小自造者冬令營」就真實上演喔!

答案讓你猜一猜:

  • 小朋友大爆走
  • 小朋友鴉雀無聲、啞口無言
  • 小朋友創意大爆發,製造出馬力歐宇宙

答案會是什麼呢?

作者/攝影宗諭 / 楨詒、怡婷
課程時間2018.1.29-2.2
課程講師 品叡、楨詒、皓云、怡婷、偉伶
課程場地CAVEDU教育團隊大本營

 

Boson是由DFRobot開發出來的電子積木套件,也就是藉由一個一個的電子積木,讓孩子與想要學習電子電路原理的初學者們,能夠以更簡潔明確的方式學習。

因為在Boson的電子積木套件中,提供了And、Or、Not的邏輯方塊,所以,小朋友可以透過Boson學習數位邏輯,體驗數位邏輯的符號運用。在此,先簡介一下數位邏輯,讓大家有個初步了解。數位邏輯又稱邏輯閘,就是當我們把一個或多個電子訊號,比方說電壓或電流,輸入一個電子電路,然後這個電子電路透過本身的運算,可以產生出輸出訊號,那麼這個電子電路就是一個邏輯閘。

數位系統中的電子訊號,例如我們剛剛提到的電壓或電流,在數位系統中都只有兩種數值,就是0跟1。比如說,我們可以將高的電壓定義成邏輯1, 而將低的電壓定義成邏輯0。所以,在一個數位系統中最簡單的運算就是邏輯運算,而負責邏輯運算最基本的元件就是邏輯閘。

日常生活中有什麼地方會運用到數位邏輯呢?比方說,我們每天都會用到的電腦,它的主機板就是由許多的邏輯閘所組成;還有我們出國會搭乘的飛機,上面的許多航空儀器,也都是由許多邏輯閘所組成。

與過去極為不同的是,以往台灣的教育較為重視記憶和考試,透過這樣的方式教導學生數位邏輯。然而,現今Boson把邏輯閘實化成為實際可動手玩、體驗的積木,孩子從小便習慣使用,長大後自然對邏輯閘的概念不陌生。

 

超興奮,用Boson做自己的夢想成品

於是,在這次「2018小小自造者冬令營-電力公司」第三天的活動中,CAVEDU教育團隊就讓小朋友們親自動手體驗Boson積木的樂趣,小朋友可說是超興奮完全停不下來!

1 小朋友興奮無比玩Boson積木

2 玩積木停不下來

當天上午,講師先講解Boson的顏色,然後拿出按鈕、組版、跑燈、燈條,讓小朋友親手接起來,他們必須了解積木間方向的關係,才能成功把LED燈接好。接下來,就是讓孩童把自己想要的積木樣式做出來,完成後配合感測器執行動作,製造出他們心目中的魔法棒。

3 LED燈接好

4 點亮了!YA

超能力,小朋友打造馬力歐之宇宙

然而,小朋友們的創意可說是火力全開,大人設定的框架完全限制不了他們!因為Boson可與積木結合,所以小朋友的作品多半與造型積木連結。從一開始的槍、機器人,至後來完全爆發Maker自由創作的精神。

5 Boson積木創作——機器人

6 Boson積木創作——

因有位小朋友最近常在家中與爸爸打「超級馬力歐」電玩遊戲,所以在他的大力吆喝下,大家開始製作電玩遊戲「超級馬力歐」中各式各樣的道具,包括,黃色神秘道具箱、蘑菇、金幣,最後完全一發不可收拾,搭配上Boson積木的聲光效果,幾乎完成一個作品,連教課的講師們皆十分咋舌小朋友充沛的創作力。

7 馬力歐的黃色神秘道具箱

8 馬力歐宇宙

下午則是教導邏輯閘,雖然是比較抽象的概念,但因Boson十分直覺化,所以小朋友們只要按一按、玩一玩,就能搞懂數位邏輯中的And、Or、Not的觀念。

 

超直覺,麻瓜完全可以無痛就上手

然而,Boson可不只是教小朋友好用而已喔!因為DFRobot還有針對最近在Maker界很火紅的micro:bit,推出Boson kit套件包(micro:bit需另購),內附一片micro:bit擴充版,上面有電源開關、六個周邊接頭、音量鍵及耳機插孔。套件包內還提供許多有趣範例,可以立即動手實作。當然,Maker們更可以透過這片擴充板與micro:bit充分結合,找出更多創意十足的玩法。

總而言之,Boson這套電子積木套件提供了非常直覺化的學習方式,讓在這方面自認為麻瓜的朋友們,完全可以無痛上手!

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