Automaçao e Controle: CRONÔMETRO DIGITAL

Cronômetro digital

Um cronômetro digital com contagem crescente de três dígitos com contagem até dez minutos poderá ser muito útil no dia a dia, nas brincadeiras na qual o tempo é o grande inimigo, no treino de leitura rápida, em jogos, enfim, há uma infinidade de aplicações deste cronômetro.

Basicamente ele é composto por um contador de pulsos e um decodificador BCD. Mesmo sendo simples o funcionamento, a sua execução tem um pouco de complexidade devido a alguns fatores, como a precisão, pois estamos contando o tempo, cuja freqüência é de 1 Hertz, fatores de divisão e conversão binário/decimal e vice versa, sistemas de controle, etc.

Tratando-se de relógio é conveniente termos uma fonte segura e precisa de base de tempo, ou seja, uma unidade capaz de manter a sua regularidade mesmo com fatores externos favorecendo a erros. Exemplo: A instabilidade da fonte de energia, variação de temperatura, ruidos vindos da rede ou até mesmo a tolerância dos componentes usados nesta etapa. Se não fossem os fatores citados linhas acima, eu poderia montar uma base de tempo utilizando a própria rede elétrica, bastando dividir a freqüência da linha por 60 e obteria 1 Hz, ou montar um circuito oscilador astável com 1Hz na freqüência fundamental, mas está última opção seria a pior entre as duas porque geraria uma imprecisão muito grande.

Clock (base de tempo)

A base de tempo de um relógio ou cronômetro é uma das etapas da montagem, a qual deverá ser levada em consideração a sua estabilidade e a pureza dos pulsos. A princípio pensei em utilizar a freqüência da rede e dividi-la para obter 1 (um) Hertz, porém, por não ter muita precisão e confiabilidade, pois os ruídos vindos através da rede poderiam interferir na contagem, decidi utilizar um circuito cuja configuração é muito utilizada comercialmente.

O circuito não é complexo; é excelente para o propósito da montagem. Veja na figura abaixo:

Figura 1

· Como funciona o Clock:

X1 é um cristal de quartzo ou outro tipo criado em laboratório cuja freqüência é precisamente de 32.768Hz ou 32,768khz. O circuito integrado 4060 possui um oscilador interno que passará a oscilar na freqüência do circuito oscilante externo, no nosso caso será 32.768Hz. Está será a freqüência fundamental gerada, porém, temos que dividi-la até obtermos a desejada. Note que o CI 4060 faz a divisão até no máximo, veja no datasheet (folha de dados) 2^14 (=16.384), cuja saída está no pino 3.

Então se 32.768 ÷ 16.384 = 2 obtivemos 2 Hertz na saída do 4060 e , como precisamos de 1 Hz para o cronômetro, basta dividir agora os 2Hz por 2 para obtermos o tão esperado clock de 1 Hertz. Está é a função deste CI 4013 no circuito, com configuração de Flip-flop tipo D, note que entra 2 Hz e sai 1Hz.

Basicamente aqui está concluída uma das etapas do cronômetro digital.

Flip-flop (tipo D)

O flip-flop ou latch é um circuito capaz de armazenar os dois estados de níveis lógicos, sendo também usado como memória. Seu funcionamento é como uma chave que trava seus contatos quando acionados, porém neste caso, não há acionamento mecânico, note no diagrama esquemático que há duas opções de saída (Q e Q barrado) e as quais invertem quando é mudado o esta lógico da entrada.

Outra função do flip-flop do tipo D é como contador de impulsos. Esta função ele faz na saída do clock, veja na figura 2.

Figura 2

Funções do Cronômetro

Vamos tratar dos comandos de inicio, reset e pausa do nosso cronômetro digital. Sendo um circuito com tecnologia CMOS eu resolvi também incluir no aparelho um modo digital de comandar a partida e a pausa da contagem, sendo o reset feito diretamente nas entradas dos contadores 4029.

Trata-se de mais um flip-flop tipo D. Desta vez ele está com a função de memória de um bit. A cada mudança de estado em sua entrada ocorre uma também em suas saídas e assim permanece até o próximo comando.

O pino correspondente ao reset é o 4 do U8:A. Nível alto (H ou 1) zero e nível baixo (L ou 0) seta. Veja no pino 4 do referido CI um capacitor eletrolítico de 10uF; sua função é de garantir que tudo comece com zero, pois quando o C2 está descarregado ele é momentaneamente um curto e com isso leva 5 Volts ( nível alto) ao pino 4 (reset).

O start e pausa são acionados mudando os estados lógicos do contador 4029, no pino 5 ( CI ) Carry In através da memória F-F D feito pelo circuito integrado 4013.0 volt habilita a contagem; porém 5 Volts pausa ( hold ), veja na figura 5.

Esquema das funções inicio, pause o hold

Figura 3

Esquema do bip

Figura 4

Foto do bip

Fonte

A fonte de alimentação do cronômetro foi dimensionada para ser utilizada com display de 56 mm, daí a saída de 9 volt irá alimentar os diodos do display; caso seja utilizado um display menor, poderá fazer uso dos 5 volts.

Consumo total aproximado do circuito do cronômetro:

Displays: 210 mA;

CI’s: 10mA para cada, total de 100 mA;

Led’s: 40 mA;

Sinal sonoro: 50 mA

Outros: + 10%;

Total = 440 mA;

Para consumo máximo de 440 mA:

Transformador 9 + 9 Vac / 500 mA;

Vp = 25.5 Vac, onde Vp = tensão de pico.

Vcc = (Vp/2) – (Vond/2).

Vond = I/ f x C, onde f = freqüência, C = capacitância e Vond = Tensão de ondulação.