Считаем моточасы

По всей нашей большой стране в жилых домах уже широко используются многотарифные электронные счётчики электроэнергии, а в крупных городах даже началась установка умных счётчиков. Морально устаревшие модели с механическим индикатором оказались невостребованными и продаются за копейки. Предлагаем домашнему мастеру превратить такой прибор в полезный для хозяйства измерительный инструмент.

Речь идёт об измерении общего времени работы различных устройств, таких как водяные насосы, компьютеры, 3D-принтеры, электронагреватели, телевизоры. В случае насоса полезно знать, сколько полных часов его двигатель отработал после ремонта. Насчёт компьютера интересно, сколько времени на нём играли дети, пока родителей не было дома. Другие варианты применения самоделки, думается, читатель придумает сам.

Из прибора нужно извлечь механический счётный блок, который имеет циферблат с несколькими дисками, приводимыми во вращение простейшим шаговым двигателем. Мы разобрали счётчик «Микрон», выпущенный в 2008 году. Чтобы потребитель электроэнергии не мог остановить работу прибора магнитом, шаговый двигатель в нём помещён в металлический экран. На этом экране обнаружилась наклейка с надписью "Ratio: 200:1". То есть для того, чтобы красный диск сделал один полный оборот и отображаемое на чёрных дисках число увеличилось на единицу, шаговый двигатель должен отработать двести импульсов.

Наша задача - считать часы. Двести импульсов за час, то есть за 3600 секунд, транслируются в один импульс каждые 18 секунд. Такой интервал можно получить, используя кварцевый резонатор частотой 32 768 Гц от электронных часов и деля его частоту на 32 768, чтобы получить секундные импульсы, которые несложно поделить на 18.

Чтобы снизить собственное энергопотребление устройства, мы решили в его схеме использовать цифровые микросхемы КМОП. Популярной микросхемы К176ИЕ5 (счётчик - делитель частоты на 32 768) у нас под рукой не оказалось, поэтому взяли микросхему К561ИЕ16, представляющую собой счётчик - делитель частоты на 16 384, который сможет выдать частоту 2 Гц. Затем поделили последнюю на 36 с помощью двух последовательно включённых делителей на 6. Роль последних сыграли микросхемы К561ИЕ8 (десятичные счётчики, совмещённые с дешифраторами), которые легко настроить на нужный коэффициент деления частоты в диапазоне от 2 до 10.

От шагового двигателя тянутся два провода. На них следует поочерёдно подавать импульсы разной полярности. Чтобы не городить двуполярный источник питания, мы подключили шаговый двигатель сразу к двум разным выходам микросхемы К561ИЕ8. Но поскольку число импульсов при этом удваивалось, частоту 2 Гц пришлось делить уже не на 36, а на 72. Сделать это было несложно, задав для счётчиков К561ИЕ8 коэффициенты деления 9 и 8 (9×8=72). Получившаяся в итоге схема показана на рисунке к шагу 2.

Экспериментальным путём мы выяснили, что шаговый двигатель устойчиво срабатывает от ионолитиевой батареи напряжением 4 В. Сопротивление катушки двигателя невелико (в нашем случае 170 Ом), и через неё нужно пропускать ток в 25 мА. Стандартные КМОП-микросхемы не способны выдать такой ток, поэтому мы использовали усиленный инвертор - шинный формирователь К561ЛН1, включив его элементы параллельно. Кварцевый генератор собрали на логической микросхеме К561ЛЕ5. Всего потребовалось пять КМОП-микросхем и менее десятка пассивных элементов, в том числе часовой кварцевый резонатор.

В принципе число микросхем можно сократить до четырёх, если К561ЛЕ5 и К561ЛН1 заменить на К561ЛН2 (кварцевый генератор собрать на двух элементах микросхемы К561ЛН2, а остальные четыре её элемента задействовать в формирователе импульсов для шагового двигателя). Однако опытные схемотехники не рекомендуют совмещать в одном корпусе сильноточные и слаботочные цепи, тем более такие чувствительные, как кварцевый генератор.

Если вам важно начать отсчёт с нуля, то нужно разобрать счётный блок и вынуть или отодвинуть вал с колёсиками десятичного переноса, чтобы можно было повернуть диски с цифрами в начальное положение.

Наша схема рассчитана на питание напряжением 6-9 В. Вообще было бы удобно снизить его до 5 В, однако мы выяснили, что при таком напряжении микросхема К561ЛН1 не способна выдавать в шаговый двигатель нужный ему ток, поэтому необходимо применить какой-то другой шинный формирователь либо транзисторные ключи.

Не забудьте предусмотреть на плате сглаживающие конденсаторы. Можно также снабдить схему мигающим светодиодом, включив его через резистор 2-3 кОм между питанием и третьим выводом микросхемы К561ИЕ16.

При работе не торопитесь, соблюдайте технику безопасности.

Далее следуйте подписям под рисунками.