Обучающий сенсорный стенд

Введение

Обучающий сенсорный стенд далее просто ОСС) является разно­видностью технических средств обучения. ОСС обучает переводу цифр аз 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 "0" 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 контакта 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 работоспосо бен 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-1205y 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 нажатием), 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 3336Л 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 производства типа "ANSMANN" с номинальным рабочим напряжени­ем +8,4 В и емкостью 120 мА*час.

Печатная плата

Печатная плата игры выполне­на из односторонне фольгированного 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 22,5x24,5 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 фальшпане- ли рекомендуется распечатать на цветном принтере изображение фальшпанели (рис. 2).

 В масшта­бе 1:1 рисунок имеет размер 200x150 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 заламини- рованной 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, спе циализированные для подписыва­ния компьютерных CD-дисков.

Пайку радиоэлектронных компо­нентов следует вести заземленным жалом паяльника. Обойтись без за­земления можно, применив для ИМС и полевого транзистора спе­циальные розетки, и установив в них "полевые структуры" по оконча­нии пайки остальных деталей, яд

Александр Ознобихин

г. Иркутск