Самодельные бинарные часы. Часы радиогика

Возможно, кто-то еще помнит, как выглядели панели управления первых электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Сегодня их можно увидеть только на архивных фотографиях. Длинные ряды лампочек, которые мелькали на первый взгляд хаотично – завораживали энтузиастов электроники тех лет.

Представленная в данной статье конструкция бинарных часов поможет воссоздать атмосферу прежних лет.

Принципиальная схема простых бинарных часов показана на рисунке 1. Схема построена на базе микроконтроллера ATmega48. В схеме часов нет внешнего модуля реального времени (RTC), что в свою очередь несколько снижает стоимость устройства.

При возможном сбое питания от внешнего источника, отсчет времени поддерживается встроенной батарей типа CR2032, при этом светодиоды отключаются. Для обнаружения питающего напряжения от внешнего блока питания используется схема с транзистором VT1 (BC847).

Если на клеммах разъема питания есть напряжение, то оно проходит через диод D1 в результате чего транзистор входит в состояние насыщения, а на вход PC0 микроконтроллера подается логический ноль, который запускает работу светодиодов.

Индикация текущего времени (часы, минуты и секунды) реализована с помощью трех линеек светодиодов. Управление светодиодами происходит методом мультиплексирования, что снижает потребление электроэнергии и уменьшает количество используемых выводов микроконтроллера.

Просмотр осуществляется только в формате 24 часа. Для отображения количества минут и секунд необходимо 6 светодиодов, а для часов 5 светодиодов.

Микроконтроллер ATmega48V-10AU способен работать при пониженном питании вплоть до 1,8В, что является большим преимуществом. Кроме того, ATmega48V-10AU потребляет меньший ток. Частота тактового сигнала стабилизируется кварцевым резонатором на 4 МГц, который одновременно является эталоном для отсчета времени.

Установка текущего времени (часы и минуты) осуществляется с помощью кнопок SW2 и SW1 соответственно. Счетчик секунд обнуляется при нажатии на любую из кнопок.

Стоит отметить, что эти кнопки неактивны при работе от резервной батареи, чтобы предотвратить возможность непреднамеренного изменения времени. Часы собраны на односторонней печатной плате размером 103мм×67мм.

При программировании микроконтроллера, необходимо установить работу микроконтроллера от внешнего кварцевого резонатора 4 МГц и отключить деление тактовой частоты на 8 (этот бит называется CKDIV8).

После правильной сборки часы начинают работать сразу и должны показать 00:00:00.

Питание схемы осуществляется от источника питания с напряжением +5 В. Резервное питание – батарея типа CR2032 не является обязательной, она только поддерживает отсчет времени после пропадания питания от сети.

Потребление тока от батареи составляет около 1,5 мА. При емкости аккумулятора порядка 200 мАч, ее должно хватить на 5 и более дней работы микроконтроллера, что является достаточным в типичных ситуациях.

Как уже упоминалось, отображение времени осуществляется в двоичной системе исчисления. Старшие биты расположены слева, а младшие справа. На часах намерено нет подписи часов, минут и секунд, чтобы людям непосвященным было сложно угадать принцип работы часов.

Доброго времени суток. В сегодняшней статье мы изготовим необычные бинарные часы на базе Arduino своими руками . Разобравшись с процессом создания подобной поделки , в дальнейшем вы сможете повторить бинарные часы любой конструкции.

Шаг 1: Что же такое бинарные часы?

Для начала вспомним, что же такое бинарное (двоичное) число – это число представленное в двоичной системе исчисления, числовыми значениями, что используют всего два символа: 0 (ноль) и 1 (единица).

Бинарные часы – это часы, что отображают время в двоичном формате. В проекте используются 6 колонок светодиодов для отображения нулей и единиц. Каждая колонка отображает одну цифру/разряд, такой формат известен, как двоично-десятичное число (ДДЧ). Каждая линия отображает степень двойки, от 2^0 (или 1), до 2^3 (или 8). Поэтому всё, что нужно сделать при чтении информации с часов – просуммировать значения колонок с включенными светодиодами. Например, в первой колонке включены 4-й и 1-й светодиоды. Прибавляем 8 к 1 и получаем 9 (количество секунд равное 9). Следующая колонка десятые секунды, в ней светится только 3-й светодиод, поэтому общее значение будет равно 49 секундам, точно также с минутами и часами. Пожалуйста, отметьте следующее, что часы отображают время в 24-х часовом формате.

Шаг 2: Составные части

Arduino Pro Mini 328 5 V — использовал такую плату, но фактически можете использовать любую другую. Если вы ни разу не использовали Pro Mini, то наверняка вам будет нужен CP 2102 (программатор) для подключения платы к компьютеру;

DS 1302 — модуль часов реального времени ;

20-ть 10 мм диффузных «тёплых» светодиодов (советую брать с запасом);

20-ть резисторов с номиналом сопротивления 10Ω;

2 тактовые кнопки;

2 резистора с номиналом сопротивления 10kΩ (используются, как нагрузочные резисторы).

Шаг 3: Изготавливаем прототип

Начнём изготавливать прототип будущей поделки . В принципе, это не обязательное условие, но нужно же посмотреть на то, как светодиодная матрица, Arduino и часовой модуль будут работать вместе. При прототипирование использовал Arduino Mega и простые красные светодиоды. Всё работает хорошо, как и ожидалось.

Шаг 4: Корпус

Корпус самоделки (состоит из двух половинок) будет изготовлен из дерева. Оно будет контрастно смотреться на фоне бинарных часов и придаст поделке ретро стиль.

Шаг 5: Схема

Светодиоды сгруппированы в матрицу, чтобы уменьшить количество задействованных выводов arduino. В нашем случае под матрицу отведено 9 выводов. После изготовления светодиодной матрицы, припаяем выводы к arduino, затем модуль часов, кнопки для настройки времени и под конец блок питания.

Шаг 6: Код

За основу кода взят пример с Arduino Playgroud post для модуля часов DS1302. После чего были внесены изменения для отображения времени на светодиодной матрице.

Пожелав собрать бинарные часы, я так и не нашел приемлемой готовой конструкции в сети. Большинство часов обладали серьезным недостатком – при отключении питания, настройки времени сбивались. По счастливой случайности, незадолго до этого, я начал осваивать язык Си и микроконтроллеры AVR. Итак, было решено подкрепить полученные знания практическим опытом, а заодно изобрести велосипед. А еще я очень люблю зеленые мигающие светодиоды.

Схема

RTC

Проблему сохранения текущих настроек прекрасно решают часы реального времени (RTC). Мой выбор пал на микросхему DS1307 .

По заверениям производителя, при отключении питания, она может сохранять время и дату в течении 10 лет, потребляя энергию одной лишь литиевой батарейки типа CR2032. Т.е часы продолжают тикать, сохраняя приемлемую точность хода. Время не сбивается, снова включив часы, мы получаем реальное время на циферблате, а не время на момент выключения. Микросхема общается с микроконтроллером через «квадратную шину» I 2 C, сообщая точное время и принимая новые его значения.

Сердце устройства

Выбор микроконтроллера Mega32a был продиктован следующими факторами:
Достаточное количество портов, чтобы не использовать динамическую индикацию, которую я не люблю, в первую очередь из-за того, что она раздражает зрение (мигание с высокой частотой в любом случае неестественно). С ней я познакомился, играясь с микроконтроллерами PIC на языке Proton PICBasic, и если есть возможность не использовать динамическую индикацию, я предпочту так и сделать.
Относительно низкая стоимость в 130 рублей (Mega16a, например, стоит столько же), а со скидкой так вообще 104 рубля.
Четкий QPF-44 корпус, с удобным расположением выводов

Порт «А» отображает секунды, порт «В» - минуты и порт «С» - часы. Очень удобно то, что можно присвоить портам значения времени, принятые из DS1307, без каких – либо изменений. К порту «D» подключены кнопки (пины 3 – 7), пины 0 и 1 работают как линия тактирования (SCL) и линия последовательной передачи данных (SDA) соответственно. Микросхема RTC настроена так, что выдает на своей седьмой ноге импульсы с частотой 1 герц. Эта нога подключена к 3-му пину порта «D». Сам этот порт сконфигурирован на вход, и на всякий случай включены внутренние подтяжки к плюсу питания, продублированные SMD резисторами снаружи. Такие действия в полной мере защищают от всяких неожиданностей.

Светодиоды

Светодиоды я выбрал в матовом корпусе с низкой светимостью. Сначала были опробованы яркие диоды в прозрачном корпусе, но даже при токе в 3 мА они слишком ярко и неравномерно светили, что опять таки вызывало дискомфорт. При падении напряжения на диоде в 2 вольта, напряжении питания 5 вольт и резисторе 1 кОм, значение тока, текущего через диод будет равно (5 – 2)/1000 = 3 мA. Это значение было подобрано эмпирически, а яркость свечения отлично подходит для полутемной комнаты. Если планируется устанавливать часы под прямой солнечный свет, то номинал резисторов следует уменьшить, вплоть до 200 ом, для более яркого свечения (спасибо кэп).

Кнопки

На отдельной плате с кнопками, предусмотрен «предохранитель» (он убережет нас от случайного выстрела в голову), в виде еще одной кнопки Bt6. Время можно редактировать, предварительно зажав ее.

Софт

Код написан в среде CodeVisionAvr.
Программа начинается с того, что мы настраиваем периферию микроконтроллера.
Конфигурируем порты (A,B,C – выход, D – вход)
На всякий случай предусмотрена пауза 300 мс, чтобы DS1307 успела «очухаться»
Инициализируем «квадратную шину»
Настраиваем микросхему RTC так, чтобы она выдавала прямоугольные импульсы каждую секунду на выводе SQW/OUT
Проверяем, нажата ли кнопка CLR. Если да, то сбрасываем все значения в 0
Разрешаем глобальные прерывания
Да, пару слов про них. Мы используем внешние прерывания INT0 на PD2 по спаду, т.е. каждую секунду программа будет уходить в обработчик прерываний, в котором мы считываем значения времени из DS1307 и выводим их на светодиодные индикаторы.
Уходим в бесконечный цикл, где опрашиваем кнопки
Если кнопка нажата, прибавляем (отнимаем) час (минуту) и посылаем новое значение по I2C
Попутно проверяем, вписываются ли новые значения времени в 24-х часовой и 60-ти минутный диапазоны.

Печатная плата

Плата выполнена по Великой Космической Лазерно – Утюжной Технологии на одностороннем текстолите. При изготовлении верхней платы, использовалась обычная бумага (неудачный эксперимент).

Существует много вариаций этой технологии. На мой взгляд, вот этот самый лучший:
1. Выпиливаем нужного размера кусок текстолита.
2. Шкурим торцы, избавляясь от вредных заусенцев.
3. Смазываем будущую плату чистящим порошком или зубной пастой и жесткой стороной губки драим ее до блеска.
4. Окунаем наш кусок на пару десятков секунд в слабый раствор теплого хлорного железа, до появления равномерной, матовой, бардово-коричневой поверхности. При вытаскивании из раствора, жидкость должна полностью смачивать поверхность.
5. Смываем каку, аккуратно сушим, не прикасаясь к поверхности пальцами, или чем другим жирным. Сразу кладем на чистую бумагу медью вниз, чтобы избежать попадания пыли или волос.
6. Распечатываем отзеркаленный рисунок на тонкой(!) глянцевой бумаге, можно вырезать из журнала, например. Не прикасаемся к рисунку руками. Аккуратно вырезаем, кладем рисунком вниз.
7. Прикладываем к подготовленному куску текстолита, проглаживаем через 1-2 слоя чистой бумаги, выставив утюг на максимальную температуру. Секунд 10 должно быть достаточно, ибо если передержать, дорожки расплющатся и затекут друг на друга. Тонер должен полностью прилипнуть к меди.
8. Отмачиваем под струей теплой воды, можно оставить в воде на 10 минут. Аккуратно отдираем, соскребаем бумагу. Мне в этом помогает старая зубная щетка. Удаляем оставшиеся кусочки бумаги иголкой. Тонер остается на текстолите.
9. Нагреваем на водяной бане крепкий раствор хлорного железа, бросаем туда нашу плату и бултыхаем в течении нескольких минут (по правилу Вант-Гоффа, при увеличении температуры на 10 градусов, скорость реакции увеличивается в 2 раза. Медь исчезает прямо на глазах. Можно и не греть, но ждать придется дольше.
10. Как только вся ненужная медь исчезла, выключаем газ, вытаскиваем (например пинцетом) плату, пытаемся отмыть плиту и пальцы от хлорного железа. Смываем его с платы проточной водой.
11. Берем ацетон (жидкость для снятия лака) и оттираем тонер. Можно попробовать соскрести его шкуркой или губкой.
12. Сверлим отверстия.
13. Лудим. В качестве флюса использую ЛТИ, и вам советую, однако после лужения и пайки этот флюс нужно обязательно смыть (тем же ацетоном, а лучше смесью спирто-бензин 1:1), т.к. ЛТИшка обладает некоторой проводимостью.
Все работы обязательно проводить в проветриваемом помещении, в процессе
выделяется много вредных паров.

Платы соединяются между собой PBS и PLD разъемов. Первые соединяются с верхней платой при помощи тонкого монтажного провода, его можно выковырять, например, из старого LPT кабеля или переходника.

Вторые припаиваются к нижней плате, причем штырьки, ведущие к клавиатуре загибаются (см. фото).

Печатные платы в формате SprintLayout5.0 прилагаются. На фотографиях есть пару косяков, но они уже исправлены в приложенных файлах.

Прошивка микроконтроллера

Для этого дела был собран программатор USBasp , который можно увидеть на фото сверху. Довольно приятная штука, прост в использовании и можно всегода носить его с собой в кармане(надеюсь, никто так делать не станет). Для прошивки mega32 придется установить джампер «Slow SCK».
Фьюзы:
Low fuse = 0xC4
High fuse = 0xD9
Наш микроконтроллер тактируется от внутреннего RC генератора с частотой 8 МГц. Пришлось отключить JTAG интерфейс на PortC, иначе некоторые светодиоды не будут светиться.
На плате предусмотрен ISP10 разъем, для быстрой прошивки/отладки.

Лицевая панель

Выполнена из алюминиевой пластины, шириной 40 мм и толщиной 1,5 мм. В ней просверлены 18 отверстий диаметром 5 мм, и 4 отверстия диаметром 3 мм для крепления стоек.

Сначала был распечатан шаблон и наклеен на пластину. Далее, были просверлены пилотные отверстия сверлом 1,5 мм, после чего уже сверлами нужных диаметров были просверлены основные отверстия.

В завершении, пластина была загнута, ошкурена мелкой шкуркой и отполирована пастой ГОИ.
Шаблон прилагается к приложенным файлам в виде файла layout5.0

Красный светодиод в левом верхнем углу

Повторяет импульсы, генерируемые DS1307 на 7-ой ноге, т.е. мигает каждую сегунду. Маленький p-канальный MOSFET транзистор работает в ключевом режиме, открываясь и закрываясь в такт импульсам. Сначала я хотел сделать фоновую подсветку (как Ambilight), для чего был слеплен КМОП инвертор на комплиментарной паре транзисторов(чтоб уж наверняка). Но мне не понравилось. Для одного светодиодика вполне достаточно одного транзистора, можно использовать даже pnp типа bc857. Я использовал бескорпусные mosfet irlml6402 или irlml6302.

Файлы

Исходники, hex-файл, печатные платы, схемы, схема в proteus и фьюзы заключены вот в эту картинку в виде архива. Я не доверяю файлохранилищам, своего сервера у меня пока нет, поэтому, на мой дилетантский взгляд, самым надежным местом для хранения будет Хабр. Пользователи windows могут добраться до файлов открыв сохраненную картинку с помощью WinRar.
Да, вот эта картинка.

Видео

Заключение

Источник питания можно использовать любой, способный выдать 5 вольт при токе в 70 мА. USB-порт вполне для этого подойдет. Главное, чтобы питание было «чистым», и не превышало 5 вольт. Питая часы от DC-DC преобразователя из на микросхеме mc34063 с уровнем помех ~50 мВ, я заметил глюки при установке времени. Сейчас устройство питается от свича, висящего рядом. Он выдает строго 5 вольт. По хорошему, нужно еще сделать защиту от дурака в виде диода, и какой-нибудь линейный стабилизатор на 3.3 - 5 вольт.
Отсутствие в часах функций будильника и отображения даты вполне обосновано: и то и другое присутствует в телефоне, а значит, пользоваться ими в бинарных часах с большой долей вероятности никто не будет (спасибо дядюшке Оккаму за этот вывод).

Предлагаю вашему вниманию электронные часы на микроконтроллере . Схема часов очень проста, содержит минимум деталей, доступна для повторения начинающим радиолюбителям.

Конструкция собрана на микроконтроллере и часов реального времени DS1307 . В качестве индикатора текущего времени использован четырехразрядный семисегментный светодиодный индикатор (ультраяркий, голубого цвета свечения, что неплохо смотрится в темное время, и, заодно, часы играют роль ночника). Управление часами происходит двумя кнопками. Благодаря использованию микросхемы часов реального времени DS1307, алгоритм программы получился довольно простым. Общение микроконтроллера с часами реального времени происходит по шине I2C, и организованно программным путем.

Схема часов:

К сожалению, в схеме есть ошибка:
— выводы МК к базам транзисторов нужно подключать:
РВ0 к Т4, РВ1 к Т3, РВ2 к Т2, РВ3 к Т1
или поменять подключение коллекторов транзисторов к разрядам индикатора:
Т1 к DP1 ….. Т4 к DP4

Детали, используемые в схеме часов:

♦ микроконтроллер ATTiny26:

♦ часы реального времени DS1307:

♦ 4-разрядный семисегментный светодиодный индикатор – FYQ-5641UB -21 с общим катодом (ультраяркий, голубого цвета свечения):

♦ кварц 32,768 кГц, с входной емкостью 12,5 пф (можно взять с материнской платы компьютера), от этого кварца зависит точность хода часов:

♦ все транзисторы — NPN-структуры, можно применить любые (КТ3102, КТ315 и их зарубежные аналоги), я применил ВС547С
♦ микросхемный стабилизатор напряжения типа 7805
♦ все резисторы мощностью 0,125 ватт
♦ полярные конденсаторы на рабочее напряжение не ниже напряжения питания
♦ резервное питание DS1307 – 3 вольтовый литиевый элемент CR2032

Для питания часов можно использовать любое ненужное зарядное устройство сотового телефона (в этом случае, если напряжение на выходе зарядного устройства в пределах 5 вольт ± 0,5 вольта, часть схемы — стабилизатор напряжения на микросхеме типа 7805, можно исключить)
Ток потребления устройством составляет — 30 мА.
Батарейку резервного питания часов DS1307 можно и не ставить, но тогда, при пропадании напряжения в сети, текущее время придется устанавливать заново.
Печатная плата устройства не приводится, конструкция была собрана в корпусе от неисправных механических часов. Светодиод (с частотой мигания 1 Гц, от вывода SQW DS1307) служит для разделения часов и минут на индикаторе.

Установки микроконтроллера заводские: тактовая частота — 1МГц, FUSE-биты трогать не надо.

Алгоритм работы часов (в Algorithm Builder):

1. Установка указателя стека
2. Настройка таймера Т0:
— частота СК/8
— прерывания по переполнению (при такой предустановленной частоте вызов прерывания происходит каждые 2 миллисекунды)
3. Инициализация портов (выводы РА0-6 и РВ0-3 настраиваются на выход, РА7 и РВ6 на вход)
4. Инициализация шины I2C (выводы РВ4 и РВ5)
5. Проверка 7-го бита (СН) нулевого регистра DS1307
6. Глобальное разрешение прерывания
7. Вход в цикл с проверкой нажатия кнопки

При первом включении, или повторном включении при отсутствии резервного питания DS307, происходит переход в первоначальную установку текущего времени. При этом: кнопка S1 – для установки времени, кнопка S2 – переход к следующему разряду. Установленное время – часы и минуты записываются в DS1307 (секунды устанавливаются в ноль), а также вывод SQW/OUT (7-й вывод) настраивается на генерацию прямоугольных импульсов с частотой 1 Гц.
При нажатии кнопки S2 (S4 — в программе) происходит глобальный запрет прерываний, программа переходит в подпрограмму коррекции времени. При этом, кнопками S1 и S2 устанавливаются десятки и единицы минут, затем, с 0 секунд, нажатием кнопки S2 происходит запись уточненного времени в DS1307, разрешение глобального прерывания и возвращение в основную программу.

Часы показали хорошую точность хода, уход времени за месяц — 3 секунды.
Для улучшения точности хода, кварц рекомендуется подключать к DS1307, как указано в даташите:

Программа написана в среде «Algorithm Builder».
Вы можете, на примере программы часов, ознакомиться с алгоритмом общения микроконтроллера с другими устройствами по шине I2C (в алгоритме подробно прокомментирована каждая строчка).