Utilizziamo il timer 555 e un circuito integrato CMOS per misurare i riflessi attraverso due pulsanti e visualizziamo i risultati su una scala di LED.
Ci sono situazioni nelle quali la prontezza dei riflessi, quella che viene definita tecnicamente tempo di reazione, può avere valenza di salvavita per sé e per gli altri. Pensiamo al più classico dei casi: la guida dell’automobile; quanti elementi di distrazione, sopra tutti il cellulare, il cui uso è peraltro rigorosamente vietato dal codice della strada. Anche quando lo si usa collegato ad un impianto di vivavoce può provocare distrazione dalla guida e, in caso di un ostacolo imprevisto ed improvviso, il tempo di reazione è quello che permette di evitare incidenti, con tutto ciò che ne consegue. Pensiamo poi all’uso, prima di mettersi alla guida, di alcool o sostanze stupefacenti, che fanno perdere lucidità oltre a rallentare i riflessi, altra causa primaria di incidenti sulle strade.
Ma come si può misurare il tempo di reazione? Esistono metodiche molto semplici per testare i riflessi di una persona, il principio è sempre lo stesso, chi sottopone il test lo avvia di colpo, senza preavviso, e poi valuta la risposta di chi è sottoposto al test.
Il progetto: un prova riflessi basato sul timer 555
Abbiamo allora pensato di realizzare un semplice ma efficace circuito di un prova riflessi a LED, basato sostanzialmente sul timer 555. Sulle pagine di questa rivista, dopo aver approfondito il funzionamento del timer 555 in tutti i suoi aspetti (n. 255 Introduzione al timer 555) abbiamo presentato moltissimi circuiti basati su un solo 555, utilizzato in una delle sue tre configurazioni. Questa nuova idea ci permetterà di realizzare qualcosa di più complesso, che fa uso di diversi circuiti integrati, e questo ci permetterà di dimostrare come questo timer estremamente versatile possa essere utile per le applicazioni più disparate.
Il prova riflessi, uno strumento semplice nell’idea ma sufficientemente complesso nell’elettronica, ci consente di mettere in pratica due delle configurazioni del timer 555: la bistabile e la astabile, per la parte della generazione del test; poi abbiamo aggiunto un circuito integrato a logica HIGH CMOS, per la visualizzazione del risultato.
Come funziona il test
Il test dei riflessi si basa fondamentalmente su due pulsanti, uno di START, utilizzato da chi esegue il test, e l’altro di STOP, utilizzato da chi si sottopone al test. Lo scopo è quello di verificare quanto tempo passa tra l’avvio del test e la relativa risposta mostrandone il risultato. Nel nostro caso abbiamo implementato una scala di LED che dà un risultato indicativo, per cui il circuito è essenzialmente un gioco, senza alcuna velleità di presentarlo come strumento professionale, ma pur sempre utile ai fini di una valutazione personale. La Tabella 1 riporta una serie di valori con la valutazione obiettiva, chiariamo subito che non si tratta di dati scientifici, però possono essere presi come riferimento indicativo delle proprie tempistiche di reazione ad uno stimolo visivo.
Il suo utilizzo è molto semplice: colui che esegue il test preme il pulsante START a sorpresa; chi si sottopone al test deve premere il pulsante STOP appena vede il primo LED blu acceso, a quel punto resterà acceso solo un LED, corrispondente al tempo trascorso tra le pressioni dei due pulsanti; basterà leggere il punteggio ottenuto sulla Tabella 1, nella colonna corrispondente a quella del LED rimasto acceso. Se il tempo supera i 500 ms si accende il LED rosso ed il test si ferma automaticamente. Per ricominciare è sufficiente premere il pulsante RESET.
Scala dei tempi di reazione del prova riflessi.
SCHEMA ELETTRICO
Il circuito è costituito fondamentalmente da tre stadi:
TIMER 555 BISTABILE (IC1): si occupa della gestione dei pulsanti START E STOP. All’accensione il condensatore C1 provoca un corto del pin TRIGGER (2) verso massa e quindi l’USCITA (3) è a livello HIGH e inibisce il funzionamento dell’integrato IC3 (CD74HC4017) tramite il pin CE (Clock Enable, 13, vedremo più avanti questa cosa); in queste condizioni il LED LD1 è spento perché non c’è differenza di potenziale ai suoi capi.
A motivo del tipo di configurazione questo stato resta stabile fino a quando non si preme il pulsante SW1 (START), che porta il pin SOGLIA (6) a livello HIGH e provoca il cambio di stato dell’USCITA, che passa a livello LOW, abilitando il funzionamento di IC3 e facendo accendere il LED LD1. Premendo il pulsante SW2 (STOP) l’uscita di IC1 torna a livello HIGH e blocca nuovamente il funzionamento di IC3.
TIMER 555 ASTABILE (IC2): serve per generare il clock, costantemente applicato al pin CLK (CLOCK, 14) di IC3; la frequenza è data, come è noto dai valori di R4, R5 e C4, ed è di circa 16,6 Hz, corrispondente ad un periodo di circa 60 ms. Infatti, applicando l’ormai nota formula, possiamo stabilire che la frequenza in uscita dal 555 (IC2) è 16,59 Hz, mentre il periodo, che è l’inverso della frequenza, è 60,29 ms. Naturalmente le eventuali tolleranze dei componenti in gioco incideranno sui valori teorici. Questo circuito oscilla sempre, dal momento in cui viene alimentato, anche se, in condizione di STOP, non se ne vedono gli effetti.
Il contatore CD74HC4017 e la tavola della verità
CONTATORE (IC3): è dotato di 10 uscite (Q0÷Q9), una sola delle quali è a livello logico High (inizialmente Q0), di un ingresso di clock (CLK), uno di clock enable (CE) ed uno di reset (MR). Quando CE e MR sono a livello logico Low, ad ogni impulso positivo che arriva a CLK si disattiva l’uscita attuale e si attiva l’uscita successiva; dopo Q9 si ritorna a Q0. A prescindere da quale uscita sia attiva, portando MR a livello logico High, mediante il pulsante SW3 l’integrato si resetta e si riattiva Q0.
La Tabella 2 riporta la tavola della verità del CD74HC4017. Ecco la legenda dei simboli presenti, numeri e lettere in Tabella:
Vediamo ora il comportamento in base alle combinazioni riportate nelle 7 righe della tabella:
CLK e MR su Low non modificano l’uscita attiva;
CE su High e MR su Low non modificano l’uscita attiva;
MR su High attiva l’uscita Q0;
Con CE e MR su Low, ad ogni impulso positivo su CLK avviene il cambio di uscita attiva;
Un impulso negativo su CLK e MR su Low non modificano l’uscita attiva;
Un impulso positivo su CE e MR su Low non modificano l’uscita attiva;
Con CLK su High e MR su Low ad ogni impulso negativo su CE avviene il cambio di uscita attiva.
LED, resistori e stop automatico
Da quanto appena descritto si evince che questo contatore può funzionare sia con impulsi positivi che con impulsi negativi; nel nostro progetto abbiamo usato la prima soluzione. Poiché l’uscita Q0 è già attiva non l’abbiamo utilizzata in quando non è utile ai nostri scopi, le uscite Q1÷Q9 sono collegate ad altrettanti LED, di colore diverso, è la ragione per la quale abbiamo usato resistori di valore differente, in modo da avere la stessa luminosità per tutti; non serve usare un resistore per ogni LED, in quanto se ne accende sempre e solo uno per volta.
L’unica particolarità è sull’uscita Q9 che, oltre a pilotare l’unico LED rosso, tramite R2 ed il jumper JP1 va a pilotare la base del transistor NPN T1 che, una volta in conduzione, porta il TRIGGER di IC1 a massa fornendo in pratica un impulso di STOP automatico. Questa opzione può essere esclusa togliendo il cappuccio dal jumper e quindi scollegando Q9 da T1.
A proposito dei resistori di limitazione dei LED (da R7 a R11) specifichiamo che i valori indicati sono stati scelti per garantire una luminosità uniforme per i LED usati da noi. Considerando che difficilmente saranno utilizzati LED identici a quelli del nostro prototipo, consigliamo di fare qualche prova volante, variando eventualmente i valori, in base ai risultati. In ogni caso non sarà un problema rilevante dal punto di vista tecnico, ma solo da quello estetico, soprattutto nella fase di test; infatti durante lo “scorrimento” si potrebbero notare eventuali differenze, se di notevole entità. Il consumo dell’intero circuito varia da 6 mA (condizione all’accensione col solo LED ON acceso) ad un massimo di 14 mA, in base al tipo di LED acceso.
FUNZIONAMENTO
Il circuito può essere alimentato con una tensione tra 4,5 e 6 V. All’accensione il condensatore C1 fornisce un impulso Low al TRIGGER di IC1 e l’USCITA diventa High, portando allo stesso livello il pin CE di IC3 e bloccando di fatto il riconoscimento degli impulsi generati dal circuito astabile IC2. Poiché in alcuni casi la commutazione del 555 potrebbe risultare lenta al punto da permettere l’accensione casuale di uno dei LED da LD1 a LD10, abbiamo previsto il condensatore C5, in parallelo a SW3, che resetta istantaneamente il 4017, fornendo un solo impulso positivo al pin MR (Master Reset, 15).
Infatti, inizialmente, C5, essendo scarico, si comporta come un cortocircuito e la tensione positiva arriva direttamente al pin MR, subito dopo C5 si carica e il pin MR viene mantenuto a livello Low da R6. In questa situazione tutti i LED sono spenti, ad eccezione di LD11 che, collegato direttamente in parallelo all’alimentazione (tramite R12) indica appunto che il circuito è alimentato.
Come già detto, C1 ha la funzione di forzare IC1 ad iniziare nella condizione di STOP, in caso contrario potrebbe partire inutilmente la sequenza di accensione dei LED. A motivo della configurazione bistabile di IC1, non succede nulla finché non si preme il pulsante START (SW1) che porta il pin SOGLIA a livello High e, di conseguenza, l’USCITA a livello Low; istantaneamente si accende il LED LD1 e viene abilitato il pin CE di IC3; l’accensione di LD1 è il segnale dato a chi è sottoposto al test che deve premere il pulsante STOP.
La sequenza di test e lo stop automatico
A questo punto il 4017 può riconoscere gli impulsi che arrivano al suo pin CLK dall’USCITA di IC2; se non vengono premuti i pulsanti di STOP (SW2) o di RESET (SW3) al primo impulso si accende il LED LD2, al secondo si spegne LD2 e si accende LD3, e così via fino all’accensione di LD10. Se durante questa sequenza si preme il pulsante di STOP, l’USCITA di IC1 cambia nuovamente stato, il conteggio di IC3 si ferma e resta acceso il LED attivo in quel momento. Per eseguire un nuovo test occorre premere il pulsante RESET, che resetterà il contatore e spegnerà il LED attivo.
Se il jumper JP1 è chiuso e non si preme il pulsante STOP, quando si accende il LED rosso LD10, il livello High manda in conduzione il transistor T1, il pin TRIGGER di IC1 viene portato a massa (livello Low) provocando il cambio di stato dell’USCITA di IC1 ed eseguendo di fatto una pressione elettronica del pulsante STOP. A quel punto si può solo premere il pulsante RESET per eseguire un nuovo test. Aprendo il jumper JP1 invece quest’ultima fase non avviene ed i LED continuano a “scorrere” all’infinito, finché non si preme il pulsante STOP. Abbiamo previsto questa opzione del jumper solo a scopi didattici, per mostrare il funzionamento del 4017, ma per l’uso come prova riflessi è indispensabile che esso sia chiuso, altrimenti la misura risulterebbe falsata.
Volendo trasformare il prova riflessi da strumento di valutazione indicativa in un gioco di abilità, è sufficiente aumentare la frequenza di lavoro di IC2, portandola per esempio, dagli attuali 16-17 Hz a 25 Hz; per ottenere questo valore sarà sufficiente sostituire il resistore R5, attualmente da 27 kohm con uno da 12 kohm.
REALIZZAZIONE DEL CIRCUITO
Abbiamo predisposto un PCB, che potrà essere realizzato mediante i file gerber messi nella sezione download della pagina di presetnazione di questo numero, e ricorrendo al servizio https://ftrlink.it/pcb.
ELENCO COMPONENTI
Una volta in possesso del PCB, il montaggio dei componenti dovrà essere eseguito secondo le regole consuete, iniziando dai componenti più bassi (resistori e zoccoli degli integrati), presa per l’alimentazione, condensatori, transistor ed il jumper. Per quanto riguarda i LED, se il circuito non sarà montato in un contenitore, sarà sufficiente che abbiano tutti la stessa altezza, per ragioni estetiche; se invece si deciderà di montarlo nel contenitore da noi proposto, allora dovranno avere un’altezza di 15 mm per poter fuoriuscire correttamente dalla mascherina superiore.
I tre pulsanti (diametro 12 mm) troveranno alloggio sulla mascherina superiore; se non si userà il nostro contenitore potranno essere di qualsiasi tipo, purché normalmente aperti. Per rendere più difficile vedere il momento in cui viene premuto il pulsante START, si potrebbe usare un modello di grandi dimensioni, da tenere direttamente in mano. In considerazione del bassissimo consumo del circuito, si può optare per una alimentazione a batterie, per esempio 3 o 4 comuni AAA, da inserire in uno specifico portabatterie, prevedendo comunque un interruttore ON/OFF; in alternativa si potrà utilizzare anche un piccolo alimentatore da parete a 5 V.
COLLEGAMENTI
I collegamenti tra il PCB e i componenti esterni sono piuttosto semplici: servono tre coppie di fili per collegare i tre pulsanti ai rispettivi pad sul PCB. La fonte di alimentazione va collegata al connettore MK, facendo attenzione alla polarità e interrompendo il polo positivo mediante un interruttore, in modo da non avere inutile consumo a vuoto quando non si usa il prova riflessi. In Fig. 1 abbiamo riportato la foto dei collegamenti del nostro prototipo, alimentato mediante tre batterie AA in serie.
Fig.1 I collegamenti interni.
Sul retro della mascherina si vedono i tre pulsanti e l’interruttore, preventivamente fissati su di essa, le tre coppie di fili che collegano i pulsanti al PCB e il portabatterie il cui filo positivo va prima all’interruttore e poi al connettore MK, mentre il filo negativo è collegato direttamente. Completate queste operazioni l’unica prova da fare è quella di togliere il jumper, dare alimentazione al circuito e premere il pulsante START, per verificare che tutti i LED si accendano correttamente in sequenza.
CONTENITORE
Come accennato, abbiamo previsto la possibilità di montare il nostro circuito in un contenitore, ed abbiamo pensato due soluzioni: la prima destinata a chi ha la possibilità di eseguire stampa in 3D; infatti abbiamo disegnato un contenitore con relativa mascherina, avente già tutti i fori necessari. I file stl per la stampa in 3D sono disponibili nella sezione download. Poiché la stampa 3D non prevede la serigrafia, abbiamo inoltre realizzato un disegno, caricato sempre nella sezione download, con dimensioni in rapporto 1:1, che potrà essere stampato su una pellicola di carta adesiva ed incollato sulla mascherina stessa (Fig. 2).
Fig.2 Il disegno per la mascherina del box 3D.
In alternativa abbiamo pensato anche ad una soluzione più elegante, quella adottata da noi, realizzata con un contenitore commerciale (COFFER2 sul sito futuranet.it), al quale abbiamo sostituito la sola mascherina superiore con una realizzata in vetronite, partendo dallo stesso disegno della figura precedente; in pratica si tratta di un PCB serigrafato, i cui file gerber sono stati caricati nella solita sezione download. In entrambi i casi, per ottenere un perfetto posizionamento del PCB serviranno 4 distanziali esagonali, lunghi 20 mm; non sarà nemmeno necessario forare la base per fissarli in quanto l’incastro degli 11 LED nei fori della mascherina terrà tutto correttamente bloccato.
In Fig. 3 si può vedere il prova riflessi montato nel contenitore finito. Una volta collegato tutto e richiuse le varie parti nel contenitore il nostro prova riflessi è pronto per essere utilizzato. Non ci resta che augurarvi buon divertimento e, naturalmente, sempre tanta prudenza alla guida!
Fig.3 Il prova riflessi montato nel contenitore commerciale.
Boris Landoni
Technical Manager di Futura Group srl & Direttore della rivista Elettronica In
