هذا المشروع البسيط مفيد جدًا للمبتدئين في مجال الإلكترونيات والهواة، حيث قمت باستخدام الدائرة المتكاملة 555 (IC) لإنشاء مؤقت زمني بثلاث فترات زمنية مسبقة: 4 و6 و10 دقائق.
فعلى الرغم من وجود العديد من الدروس التعليمية ومقاطع اليوتيوب التي تشرح استخدام مؤقت 555 في وضع monostable (أحادي الاستقرار)، إلا أن معظمها يركز على مدة زمنية واحدة فقط، أو يستخدم مقياس جهد متغير، مما يجعل عملية تغيير الفترات الزمنية وإعادة إنتاجها بدقة أمرًا صعبًا، لذلك أردت تقديم حل بسيط مع خيارات زمنية سهلة التكرار.
أنا أعلم جيدًا أنه يمكن شراء مؤقتات جاهزة بسعر زهيد ودقة أعلى، كما أن كل هاتف ذكي يحتوي على تطبيق مؤقت، لكنني أردت صنع مؤقت خاص بي يكون سريعًا وسهل الاستخدام ولا يعتمد على متحكم دقيق.
فقمت بتركيب الجهاز على لوحة دوائر مثقبة، وقد أرفقت أيضًا صورة للدائرة نفسها مركبة على لوحة تجارب بدون لحام لتسهيل عملية الاختبار، وبالرغم من أن الجهاز ليس دقيقًا تمامًا حتى الثانية، لكن دقته مقبولة جدًا وتكفي للغرض الذي صمم من أجله، فهو يعطي نتائج متقاربة مع الفترات الزمنية المطلوبة، وهو ما يكفي تمامًا للاستخدامات البسيطة التي أهدف إليها.
طريقة استخدام الجهاز:
أستخدم هذا المؤقت في سلق البيض، حيث يتم وضع البيض في الماء المغلي ويكفي 6 دقائق حتى تعطيني بيضًا مسلوقًا طرياً، أي صفار البيض ما زال سائلاً (لذيذ)، بينما 10 دقائق تكفي لبيض مسلوق تمامًا، وأنا أحيانًا أريد كلا النوعين، فأقوم بضبط المؤقت أولًا على 6 دقائق، ثم أخرج البيض المراد نصف سلقه وأضعه في ماء بارد، ثم أعيد ضبط المؤقت على 4 دقائق إضافية لسلق باقي البيض جيدًا، ومن هنا جاءت الفترات الزمنية الثلاث المحددة مسبقًا.
طريقة التشغيل:
على الجانب الأيمن يوجد 4 مسامير توصيل ذكر، استخدم وصلة (jumper) لتوصيل أحد المسامير الخارجية بالمركزي لاختيار إحدى الفترات المحددة.
وعند تشغيل الجهاز باستخدام المفتاح المنزلق (slide switch)، سيصدر الجرس (buzzer) صوتًا، حينها قم بالضغط على زر الإعادة (reset) لبدء المؤقت، وسوف يوقف هذا الجرس ويضيء مؤشر LED للإشارة إلى أن المؤقت يعمل.
أما عند انتهاء الوقت سينطفئ الـ LED ويصدر الجرس صوتًا مستمرًا، ويمكنك إما الضغط على زر الإعادة لبدء دورة جديدة، أو إيقاف تشغيل الجهاز تمامًا.
المكونات الإلكترونية:
الأدوات:
يعتمد هذا الجهاز على تكوين دائرة أحادية الاستقرار (Monostable) باستخدام شريحة المؤقت 555، وسأقوم بشرح عملها بالتفصيل في هذا القسم، حيث تحتوي شريحة الـ 555 على ثمانية أطراف توصيل (كما هو موضح في الصورة المرفقة).
والآن إليك شرح مفصل لكيفية عمل الدائرة:
أولاً عند تفعيل المفتاح المنزلق (Slide Switch) لتشغيل الجهاز يبدأ الطرف رقم 3 (Output Pin) بحالة جهد منخفض (Low) أي صفر فولت، ثم يتم توصيل القطب السالب (-) للجرس (Buzzer) بهذا الطرف الخارجي، بينما يتم توصيل القطب الموجب (+) للجرس مباشرة بالقطب الموجب للبطارية.
وهذه التوصيلة تجعل التيار الكهربائي يمر عبر الجرس والطرف الخارجي مباشرة، وأخيراً يصدر الجرس صوتًا فوريًا عند تشغيل الجهاز.
أما عند الضغط على زر التشغيل (Push Button) يتم إرسال إشارة منخفضة (Low Signal) إلى طرف الإشعال (Trigger Pin - الطرف رقم 2)، حيث تؤدي هذه الإشارة إلى تغير حالة الطرف الخارجي (Pin 3) إلى جهد عالي (High)، وهذا التغيير يؤدي إلى إيقاف صوت الجرس فورًا وبدء عملية حساب الوقت المحدد.
وفي نفس اللحظة يسمح الجهد العالي على الطرف الخارجي بمرور تيار إلى الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) ويمر هذا التيار عبر مقاومة 1000 أوم (1 كيلو أوم) قبل وصوله إلى الأرضي (Ground)، وهذا يؤدي إلى إضاءة الـ LED أثناء عمل المؤقت ولكن لن يصدر صوت الجرس.
يعتمد حساب الوقت على المكثف الزمني (Timing Capacitor) سعة 220 ميكروفاراد، حيث أنه في الحالة الأولية يكون هذا المكثف غير مشحون، وبعد بدء المؤقت يبدأ المكثف بالشحن تدريجياً، ثم يتم الشحن عبر مجموعة من المقاومات (سيتم تفصيلها في قسم لاحق).
وأثناء عملية الشحن يرتفع جهد المكثف تدريجياً مع مرور الوقت ويتم مراقبة هذا الجهد عبر طرف العتبة (Threshold Pin - الطرف رقم 6).
وعندما يصل جهد المكثف إلى 2/3 جهد البطارية، يكتشف طرف العتبة (Pin 6) هذا المستوى من الجهد وتستجيب شريحة 555 بتغيير حالة الطرف الخارجي (Pin 3) إلى جهد منخفض، ويترتب على ذلك عودة الجرس للعمل لإشعار المستخدم بانتهاء المدة ويتم توقف إضاءة الـ LED، ثم تتم عملية تفريغ المكثف عبر الطرف رقم 7 (Discharge Pin).
وبعد انتهاء المؤقت يستمر الجرس في إصدار الصوت حتى يتم إطفاء الجهاز كلياً باستخدام المفتاح المنزلق أو يتم الضغط على الزر مرة أخرى لإعادة تشغيل المؤقت، وعند إعادة التشغيل تتكرر نفس العملية من البداية ويتم تفريغ المكثف بالكامل وإعادة شحنه من جديد.
تفاصيل تصنيع الجهاز:
عند صنع الجهاز قم بتثبيت لوحة الدوائر المطبوعة (Perf Board) وقم بمحاذاتها مع حامل البطارية لتحديد مواضع براغي التثبيت، ثم حدد موقعي برغي M3 اللذين سيستخدمان لتثبيت اللوحة على الجانب السفلي لحامل البطارية، وقم بتوسيع هذين الثقبين باستخدام المثقاب ليتناسبا مع قطر البراغي.
ثم قم تجهيز حواف اللوحة (هذه الخطوات اختيارية للتجميل)، أي لتحسين المظهر الجمالي قمت بقص الحواف الزائدة من اللوحة عن طريق عمل شقوق مستقيمة متكررة على طول الصفوف/الأعمدة الخارجية للثقوب ثم قمت بكسر هذه الأجزاء باستخدام الكماشة، وقمت باستخدام المبرد لإزالة أي حواف حادة متبقية.
بعد ذلك قمت بتخطيط المكونات الإلكترونية، حيث بدأت بترتيب المكونات على اللوحة بعد تحديد مواقع الثقوب أولاً، مع مراعاة العلاقات التوصيلية بين المكونات، تسهيل مسارات التوصيل قدر الإمكان والحفاظ على الترتيب الأكثر منطقية ووضوحاً، وعندما تكون راضيا تماماً عن التصميم يتم بعد ذلك عملية لحام المكونات والوصلات.
والآن قم بلحام جميع المكونات والتوصيلات وفقاً لمخطط الدائرة الكهربائية وانتبه بشكل خاص لدقة التوصيلات وثباتها.
ونظراً لأن المسامير الأربعة لم تكن في خط مستقيم فقد استخدمت غراء سريع لربط الطرف الفردي بالطرف المركزي لمجموعة الثلاثة أطراف ثم قمت بلحامها في أماكنها الصحيحة على اللوحة، فإن الغراء هنا يقدم دعماً إضافياً للطرف الفردي.
وأخيراً قم بتركيب المكثف السيراميكي (100 نانو فاراد)، حيث تم وضع هذا المكثف أسفل شريحة 555 مباشرة، حيث أن وظيفة هذا المكثق هي ربط طرف التحكم بالجهد (Pin 5) مع الأرضي (Ground).
ملاحظات حول هذا المكثف: قد لا يكون ضرورياً تماماً للعمل الأساسي للدائرة لكن إضافته تساعد في تحسين استقرار المؤقت، فقمت بإضافته لأنني أمتلك العديد من هذه المكثفات، فهو يساهم في زيادة ثبات ودقة عمل المؤقت.
نصائح:
تعتمد مدة المؤقت الزمني على سعة المكثف وقيمة المقاومة (أو المقاومات) المستخدمة في الشحن، والصيغة العامة لحساب المدة هي:
الزمن = 1.1 × R × C
حيث أن:
R تمثل المقاومة بالأوم
C تمثل سعة المكثف بالفاراد (لذلك فإن مكثف 220 ميكروفاراد يساوي 0.00022 فاراد)
وفي جهازي الخاص قمت باستخدام عدة تركيبات مختلفة من المقاومات للحصول على مدد زمنية محددة مسبقاً، ويتم اختيار هذه التركيبات عن طريق وضع وصلة الجسر (جامبر كونكتور) وتكوين مسامير التوصيل الذكر الأربعة (male header pins) الموجودة على الجانب الأيمن من اللوحة، حيث يتم توصيل الطرف المركزي بالجهد الموجب للبطارية (عبر مفتاح التشغيل/الإيقاف) وتوصيل الطرف السفلي بثلاث مقاومات 300 كيلو أوم على التوالي (متسلسلة) مما يعطي مقاومة كلية 900 كيلو أوم.
مثال عملي للحساب:
عند توصيل الطرف المركزي بالطرف السفلي باستخدام وصلة الجسر، تكون المدة نظرياً كالآتي:
الزمن = 1.1 × (900,000 أوم) × (0.00022 فاراد)
الزمن = 217.8 ثانية
الزمن = 3 دقائق و38 ثانية
التوصيلات الكهربائية وحساب المدد الزمنية بالتفصيل
يتم توصيل الطرف الأيمن من مسامير التوصيل (header pin) بالمقاومات 300 كيلو أوم و120 كيلو أوم، وبعد ذلك يتم توصيل هذه المقاومات مع المقاومات الثلاثة 300 كيلو أوم المذكورة سابقاً، حيث تصبح القيمة الكلية للمقاومة 1.32 ميجا أوم (ميجا أوم = مليون أوم) أي (1320000 أوم).
حساب المدة الزمنية عند توصيل الطرف المركزي بالطرف الأيمن:
الزمن = 1.1 × (1320000 أوم) × (0.00022 فاراد)
= 319.4 ثانية
= 5 دقائق و19 ثانية
أو يتم توصيل الطرف العلوي من مسامير التوصيل بمقاومة 820 كيلو أوم، ثم تتصل هذه المقاومة مع جميع المقاومات الخمسة المذكورة سابقاً، لتصبح القيمة الكلية للمقاومة: 2.14 ميجا أوم (2140000 أوم).
حساب المدة الزمنية عند توصيل الطرف المركزي بالطرف العلوي:
الزمن = ١.١ × (2140000 أوم) × (0.00022 فاراد)
= 522.7 ثانية
= 8 دقائق و42 ثانية
وأخيراً يتم توصيل الطرف العلوي من مسامير التوصيل (الطرف العلوي في لوحة الدوائر) بمقاومة كهربائية ثابتة بقيمة 820 كيلو أوم (820000 أوم)، ثم تتصل هذه المقاومة بدورها مع جميع المقاومات الخمسة السابقة المذكورة في الدائرة.
فعند توصيل الطرف المركزي (المتصل بجهد البطارية) بالطرف العلوي باستخدام وصلة الجسر، يتم حساب المدة كالتالي:
الزمن = 1.1 × المقاومة الكلية × سعة المكثف
الزمن = 1.1 × (2140000 أوم) × (0.00022 فاراد)
الزمن = 522.7 ثانية
الزمن = 8 دقائق و42 ثانية.
والآن ستلاحظ أن هذه التوقيتات المحسوبة جميعها تقل عن الأوقات الفعلية المرغوبة، ومع ذلك عند تشغيل الجهاز لأول مرة بعد إيقافه لفترة طويلة، تكون المدة أطول من التوقيتات اللاحقة إذا تم إعادة ضبط المؤقت مرارًا وتكرارًا، وفي النهاية سوف يستقر على مدة ثابتة إلى حد ما أقرب إلى ما حسبته، وبالتالي فإن قيم المقاومات التي أستخدمها تأخذ في الاعتبار هذا التشغيل الأولي الأطول للمؤقت.
فعلى سبيل المثال إذا قمت بضبط الجهاز على مؤقت "6 دقائق"، وقمت بتشغيله ثم ضغطت على زر الإعادة فورًا، فإن سوف تحصل على حصل على 6 دقائق و8 ثواني، وهذه النتيجة متسقة جدًا في كل مرة للتشغيل الأول، ومع ذلك إذا قمت بإعادة ضبط الجهاز فورًا بعد هذا التشغيل الأول فإنك سوف تحصل على 5 دقائق و45 ثانية، وقد يكون التشغيل الثالث أسرع قليلاً مرة أخرى، لكنه سيصبح متسقًا جدًا، حيث ينتهي في غضون ثانية واحدة في كل تشغيل لاحق.
وبما أنني عادةً ما أستخدم الجهاز مرة واحدة فقط ثم أضعه جانبًا لليوم التالي، فقد استقريت على قيم المقاومات بناءً على ذلك التشغيل الأول، ولكني لست متأكد من سبب زيادة مدة التشغيل الأول فقد حاولت معرفة ما إذا كانت الشريحة IC أو المكونات الأخرى ترتفع درجة حرارتها مع الاستخدام وبالتالي تغير التوقيت، لكنني لم أتمكن من إثبات ذلك لنفسي، وتساءلت عما إذا كان أحد الأطراف أو المكثف يبدأ بمستوى شحن كهربائي مختلف في التجارب المتكررة، ومع ذلك لم أتمكن من إثبات ذلك أيضًا.
سيكون من الجيد أن تكون المدة دائمًا متساوية، لكن الطريقة التي يعمل بها الجهاز الآن قريبة جدًا من 4 و6 و10 دقائق التي أردتها، وهي جيدة بما يكفي لسلق البيض.
فإذا كنت ترغب في تصميم هذا المؤقت الزمني وفقاً للإعدادات المخصصة الخاصة بك، فقد قمت بتضمين صور للدائرة الكهربائية مركبة على لوحة التجارب، السلك الجامبر الأصفر الذي يمتد عبر لوحة التجارب وهو يستخدم لتحديد المقاومة الكلية لشحن المكثف الزمني وبالتالي اختيار المدة الزمنية المطلوبة.
خطوات التصميم المخصص:
ابدأ باختيار المكثف أولاً، فقم بتحديد سعة المكثف (C) الذي ستستخدمه في الدائرة، ومن الأسهل البدء بتحديد المكثف أولاً بسبب أن تنوع المقاومات المتاحة أكبر بكثير من تنوع المكثفات كما يصعب العثور على مكثفات بجميع القيم المطلوبة.
استخدم المعادلة المعدلة التالية لحساب قيمة المقاومة المطلوبة (R):
R = الزمن المطلوب / (1.1 × سعة المكثف)
حيث أن:
R: المقاومة بالأوم (Ω)
الزمن المطلوب: بالثواني
C: سعة المكثف بالفاراد (F)
هذه الصيغة الرياضية تمثل نقطة بداية مفيدة لتحديد القيم الأولية، وبشكل أساسي إذا أردت تعديل مدة المؤقت (زيادتها أو تقليلها)، فيمكنك تجريب تغيير سعة مكثف الشحن وقيم المقاومات، فهناك علاقتان أساسيتان وهما كلما زادت سعة المكثف (بوحدة الفاراد)، زاد الوقت اللازم لشحنه بالكامل، ومثال على ذلك مكثف 470μF سيحتاج ضعف وقت مكثف 220μف لنفس المقاومة، والعلاقة الثانية هي كلما زادت قيمة المقاومة (بوحدة الأوم)، قل التيار المار إلى المكثف، وهذا يبطئ عملية الشحن، مما يزيد المدة الزمنية الكلية.
تجدر الإشارة إلى أن توصيل المقاومات على التوالي (حيث يتم ربط نهاية كل مقاومة ببداية المقاومة التالية) يعني أن المقاومة الكلية تكون مساوية لمجموع المقاومات الفردية، أما إذا كانت المقاومات موصلة على التوازي (حيث يتم توصيل جميع الأطراف الأولى معاً وجميع الأطراف الثانية معاً) فإن المقاومة الكلية تكون أقل، والعكس صحيح بالنسبة للمكثفات وسعتها.
فقد سبق لي أن نشرت مشروعاً حول استخدام متحكم أردوينو لقياس مدة مؤقت 555، فإن هذا المشروع مفيدا عندما تقوم بتجربة تركيبات مختلفة من المقاومات والمكثفات، واختبار موثوقية التكرار، فإذا كنت ترغب في تجربة ذلك ولكنك تريد توقيتاً أكثر دقة، فإنني أقترح استخدام مقياس جهد متعدد اللفات، وبعد ضبطه للحصول على الوقت المطلوب، يمكنك تثبيت قرص الضبط بالغراء حتى لا يتغير مع مرور الوقت، أو يمكنك تضمين مقياس الجهد على التوالي مع مجموعات من المقاومات للحصول على إعدادات مسبقة مع الاحتفاظ بإمكانية تعديل المدة.
وحين ذلك سيتطلب منك تعديل مقياس الجهد وساعة التوقيت، وهو بالضبط ما كنت أحاول تجنبه عندما صنعت هذا الجهاز، ولكنك في هذه الحالة لن تكون مقيداً بثلاث مدد زمنية فقط.
أخيراً، هناك حد أقصى للمدة الزمنية التي يمكنك اختيارها إذا كنت تريد أن يعمل الجهاز بشكل موثوق، فإذا حاولت استخدام مقاومة كبيرة جداً، وكان المكثف يفرغ شحنته، فقد يكون معدل التسرب مساوياً لتيار الشحن، مما يعني أن المؤقت لن يصل أبداً إلى عتبة الثلثين.
هذا هو الجهاز بكامل تفاصيله، ويمكنكم الملاحظة أن الإنحراف في المدة الزمنية لا تتجاوز بضع ثوانٍ فقط، فقد كان هذا المشروع ممتعاً حقاً في التنفيذ، فالعمل على مشروع صغير يتضمن لحام المكونات الإلكترونية يعطي دائماً شعوراً بالإنجاز، كما أنه يمكنني الآن من القيام بمهام أخرى أثناء سلق البيض دون الحاجة للمراقبة المستمرة.
وفي النهاية اضطررت لوضع قطعة شريط لاصق فوق الجرس (buzzer) لأنه كان مرتفع الصوت أكثر من اللازم، فلا أريد أن يظن الجيران أن إنذار الحريق يعمل، لكن من الجيد أنني أستطيع إزالة الشريط متى أردت صوت إنذار عالي.
وأخيراً إذا كانت لديكم أي استفسارات، فلا تترددوا في ترك تعليق، وإذا كان أي منكم يعرف السبب وراء زيادة المدة الزمنية في التشغيل الأول للمؤقت، أرجو إخباري بذلك، فأنا متشوق حقاً لفهم هذه الظاهرة.
أشكركم جميعاً على قراءة هذا المقال ومتابعة تفاصيل المشروع.
تسجيل الدخول مطلوب
يجب عليك تسجيل الدخول لإضافة تعليق.
تسجيل الدخول