«Тикающие» часы с будильником на микроконтроллере Atmega48. Часы на ATmega8 Часы термометр барометр на atmega8
Данная статья описывает конструкцию цифровых часов на микроконтроллере Attmega8 , которые снабжены секундомером, будильником, таймером обратного отсчета. В часах реализована функция отображения дня недели и даты с возможностью комбинированного отображения даты и времени. Имеется автоматическое переключение на летнее и зимнее время, а так же учет високосного года.
Дисплей построен на шести 7-сегментных светодиодных индикаторов с регулировкой яркости. Часы также оснащены резервным питанием от батарей.
Описание конструкции микроконтроллерных часов
Как уже было сказано выше, часы имеют шестизначный дисплей, состоящий из двух трехзначных дисплеев T-5631BUY-11, работающий в мультиплексном режиме. Аноды индикаторов сгруппированы по разрядам и переключаются с помощью транзисторов Т1…Т6.
Катоды сгруппированы в сегменты и питаются непосредственно от микроконтроллера IO1 Attmega8. Частота мультиплексирования составляет 100Гц.
Часы контролируется низкочастотным кварцевым резонатором X1 с частотой 32768 Гц. В результате активации бита CKOPT, разрешающего использование внутренних конденсаторов 36пф для кварца, отпадает необходимость в использовании внешних конденсаторов.
В случае возникновении проблем с запуском генератора, можно попробовать подключить 2 конденсатора по 22пф. Для еще большей точности часов можно вообще отключить внутренние конденсаторы (сбросить бит СKOPT) и оставить только внешние.
Пъезоизлучатель REP1 издает звуковой сигнал будильника и сигнализирует о завершении работы таймера. Во время звукового сигнала на выводе 16 (порт PB2) появляется лог.1. Этот сигнал можно использовать для управления какой-либо нагрузкой.
Управление часами производится тремя кнопками — минуты, часы и режим. Кнопки подключены через резисторы, которые защищают порты микроконтроллер Attmega8. Схема питается от источника 5 вольт (7805). Потребление тока в основном зависит от числа активных индикаторов, а так же от степени настройки яркости.
При максимальной яркости ток потребления доходит до 60 мА. Часы снабжены резервной батареей питания. Во время работы от батареи, часы переходят в экономичный режим, при котором дисплей выключен. Так же в этом режиме не активны и кнопки за исключением случая, когда необходимо отключить звуковой сигнал.
Напряжение резервного питания от 3 до 4,5 В. Это может быть одна батарея на 3В, три NiMH или NiCd по 1,2 В или один аккумулятор Li-Pol или Li-Ion (от 3,6 до 3,7 В). Ток потребления от 3В батареи составляет всего лишь 5…12мA. Время автономной работы часов в экономичном режиме от батареи 3В типа CR2032 со стандартной емкостью 200mAh теоретически должно хватить примерно на 2,5 — 3 лет.
Программное обеспечения для микроконтроллера находится в конце статьи. Биты конфигурации необходимо выставить следующим образом:
Управление часами
Часы управляются с помощью TL1-минута, час-TL2 и TL3-режим. Кнопки часы и минуты используются в режиме часов для назначения часов и минут. В других режимах они имеют различные функции. Кнопка режима переключает между различными режимами, которых в общей сложности 8:
Режим 1-й — Часы
В этом режиме на дисплее отображается текущее время в формате «ЧЧ.ММ.СС». Кнопка часов используется для установки часов. Кнопка минут для установки минут. При ее нажатии происходит сброс секунд.
Режим 2-й — Включение перехода на летнее время и установки года
Здесь Вы можете включать и выключать автоматический переход между летним и зимним временем и установить год. Данные следующего формата «AC ‘RR» (АС – автоматическое время, пробел, последние две цифры года).
Режим 3-й — Таймер обратного отсчета
Это режим позволяет организовать обратный отсчет от заданного значения до нуля. По истечении этого времени раздастся звуковой сигнал и светится светодиод LED1. Звуковой сигнал может быть остановлен нажатием кнопки Режим. Данные следующего формата «ЧЧ.ММ.СС». Максимально возможное значение составляет 99.59.59 (почти 100 часов).
Режим 4-й – Комбинированный вывод информации
В этом режиме, попеременно показывается:
- текущее время в формате «ЧЧ.ММ.СС»
- дата в формате «AA.DD.MM.»
Каждый формат отображается в течение 1 секунды. В этом режиме используются кнопки Часов и Минут, для регулировки яркости дисплея (Часы-, Минуты+). Яркость изменяется логарифмически в 6 этапов: 1/1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32-й. По умолчанию установлено 1/2
Режим 5-й — Установка дня недели и режим работы будильника
В этом режиме можно установить день недели — с понедельника по воскресенье (отображается как пн, вт, ср, чт, пт, сб, вс), включать будильник и выбирать его режим работы. Данные следующего формата «AA AL._» (день недели, пробел, AL., Настройка будильника).
Кнопка часов устанавливает день недели. Кнопка минут используется для включения/выключения звукового сигнала будильника и выбора режима его работы: «AL._» = будильник не активный, «AL.1″ = будильник сигналит 1 раз (затем автоматически переходит в положение»AL._»), «AL.5» = сигнал будильника только в будние дни (пн-пт, кроме сб-вс), «AL.7» = будильник звонит каждый день
Режим 6-й – Установка дня недели и даты
Кнопка часов позволяет установить день месяца. Кнопка минут позволяет установить месяц.
Режим 7-й — Секундомер
Секундомер позволяет измерять время с точностью 0,1 сек. Максимальное время измерения составляет 9.59.59.9 (почти 10 часов). Данные следующего формата «H.MM.SS.X». Кнопка минут используется для запуска и остановки секундомера. Кнопка часов используется для сброса.
Режим 8-й — Будильник
Этот режим используется для отображения и установить время будильника (ALARM). Данные следующего формата «HH.MM.AL». Кнопка Минуты устанавливает минуту будильника, кнопку Часы устанавливает час будильника.
Ниже приведена схема аналогичных часов, имеющие индикатор с общим катодом
(скачено: 811)
Концепция часов с большими цифрами
Конструктивно девайс будет состоять из двух плат – одна над другой. Первая плата – матрица светодиодов, образующих разряды часов и минут, Вторая – силовая часть (управление светодиодами), логика и питание. Такая конструкция сделает часики более компактным (без корпуса примерно 22см х 9 см, толщиной сантиметра 4-5) + даст возможность прикрутить матрицу к другому проекту, если что то пойдет не так.
Силовая часть будет построена на базе драйвера UL2003 и транзисторных ключах. Логическая - на Atmega8 и DS1307. Питание: 220В - трансформатор; логика 5В (через 7805), силовая часть - 12В (через LM2576ADJ). Отделено будет предусмотрена кроватка для батарейки 3В для автономного питания часов реального времени - DS1307.
Думаю использовать Atmega8 и DS1307 (часики планирую подвесить под потолком, и что бы в случае пропадания электричества каждый раз не лазить за настройкой), однако разводка платы будет предполагать возможность работы девайса и без DS1307 (на первое время, а может и навсегда – уж как получится).
Таким образом, в зависимости от комплектации алгоритм работы программы часов будет следующим:
Atmega8 – счетчик времени по таймеру. Работа в цикле без пауз: опрос клавиатуры, корректировка времени (если необходимо), отображение 4 разрядов и разделителя.
Atmega8 + DS1307 . Работа в цикле без пауз: опрос клавиатуры, корректировка времени DS1307 (если необходимо), зачитка времени с DS1307, отображение 4 разрядов и разделителя. Или другой вариант – зачитка с DS1307 по таймеру, остальное в цикле (пока не знаю как лучше).
Сегмент представляет собой 4 красных светодиода, соединенных между собой последовательно. Одна цифра – 7 сегментов с общим анодом. Сегменты не планирую разделять шаблоном «восьмерки», как это сделано в обычных индикаторах.
Силовая часть часов
Силовая часть часов построена на драйвере UL2003 и транзисторных ключах VT1 и VT2.
UL2003 отвечает за управление сегментами индикатора, ключи – за управление разрядами.
Отдельно управляется разделитель часов и минут (сигнал K8).
Управление сегментами, разрядами и разделителем осуществляется от микроконтроллера подачей положительного потенциала (т.е. подачей +5В) на К1-К8, Z1-Z4.
Подача сигналов на сегменты и разряды должна осуществляться синхронно и с определенной частотой, для того, что бы обеспечить динамический вывод информации (часов и минут).
В качестве транзистора VT1 (BCP53) можно использовать транзистор BCP52.
Схема силовой части часов с большими цифрами
Печатная плата семисегментного индикатора для часов с большими цифрами
Как я говорил ранее, конструктивно часы будут состоять из двух печатных плат - плата индикатора + логика и силовая часть.
Начнем с разработки и изготовления печатной платы индикатора.
Разработка печатной платы семисегментного индикатора для часов с большими цифрами
Печатная плата семисегментного индикатора для часов с большими цифрами в формате "lay" находится конце статьи, в присоединенных файлах. О технологии изготовления печатных плат методом ЛУТ можно почитать .
Если вы сделали все правильно, готовая печатная плата будет выглядеть примерно так.
Готовая печатная плата семисегментного индикатора для часов с большими цифрами
Сборка семисегментного индикатора
Поскольку плата индикатора является двухсторонней, первое, что надо сделать это выполнить межслоевые переходы. Я делаю это с помощью ножек ненужных деталей - продеваю их в отверстия и припаиваю с двух сторон. Когда все переходы выполнены, зачищаю их плоским мелким напильником - получается очень аккуратно и симпатично.
Следующий шаг, собственно говоря, сборка индикатора. Для чего нам понадобится пачка красных (зеленых, белых, синих) светодиодов. Я, например, брал эти.
При установке диодов не забываем, что мы делаем индикатор с общим анодом - т.е. "+" диодов должны быть соединены вместе. Общие аноды на печатной плате - это большие фрагменты меди. Обязательно обратите внимание на анод разделительной точки.
В итоге, после 2 часов кропотливой работы должно получиться вот что:
Цифровая часть часов
Цифровую часть часов с большими цифрами будем собирать по схеме:
Схема часов с большими цифрами
Схема часов довольно прозрачна, поэтому объяснять как она работает не вижу смысла. Печатную плату в формате *.lay можно скачать в конце статьи. Замечу, что печатная плата в основном разработана под детали для поверхностного монтажа.
Итак, элементная база, которую использовал я:
1. Диодный мост DFA028 (подойдет любой компактный для поверхностного монтажа);
2. Регуляторы напряжения LM2576ADJ в корпусе D2PAK, 78M05 в корпусе HSOP3-P-2.30A;
3. Транзисторные ключи BCP53 (корпус SOT223) и BC847 (корпус SOT23);
4. Микроконтроллер Atmega8 (TQFP);
5. Часы реального времени DS1307 (SO8);
6. Блок питания 14В 1,2А от какого-то старого устройства;
7. Остальные детали - любого типа, подходящие по размерам для установки на печатную плату.
Разумеется, если вы хотите применить другие корпуса деталей, вам потребуется внести некоторые изменения в печатную плату.
Обратите внимание на номиналы сопротивлений R3 и R4 - они должны быть именно такими, какие указаны на схеме - не больше не меньше. Это сделано для того, что бы обеспечить на выходе регулятора напряжения LM2576ADJ ровно 12В. Если все таки не удастся найти такие номиналы резисторов, то значение сопротивления R4 может быть рассчитано по формуле:
R4=R3(12/1.23-1) или R4=8.76R3
Сборка цифровой части. Версия 1, без DS1307
Если при изготовлении печатной платы часов вы придерживались рекомендаций, изложенных в , то тогда вам излишне напоминать, что перед сборкой печатная плата должна быть просверлена, все видимые короткие замыкания на ней устранены, а плата покрыта жидкой канифолью? Тогда приступаем к сборке часов.
Я рекомендую начать со сборки блока питания и только за тем выполнить монтаж цифровой части. Это общая рекомендация по самостоятельной сборке девайсов. Почему? Просто потому, что если блок питания собран с ошибкой можно пожечь всю низковольтную электронику, которая должна питаться этим блоком питания.
Если все сделано правильно - блок питания должен заработать сразу. Проверяем сборку блока питания - замеряем напряжение в контрольных точках.
На рисунке показаны контрольные точки, в которых следует проверить напряжение питания. Если напряжение соответствует заявленному, можно приступать к сборке цифровой части часов. Иначе проверяем монтаж и работоспособность элементов блока питания.
Контрольные точки и значения напряжений для блока питания часов
После того, как проверка блока питания выполнена приступаем к сборке цифровой части часов - устанавливаем все остальные элементы на печатную плату. Проверяем на КЗ, особенно в ногах микроконтроллера Atmega и драйвера UL2003.
Обратите внимание на то, что сборку часов мы выполняем БЕЗ установки часов реального времени DS1307, однако вся обвязка этой микросхемы должна быть выполнена. В будущем, если возникнет необходимость, это сэкономит нам время на доработку часов под вторую версию, там где все таки будут использоваться отдельные, независимые часы реального времени на DS1307.
Предварительная проверка микроконтроллера ATMEGA8
Для того, что бы проверить правильность и работоспособность микроконтроллера нам потребуется:
1. Программатор, например .
2. для внутрисхемного программирования микроконтроллера.
3. Программа AVRDUDESHELL.
Подключаем плату часов к дата-кабелю. Дата-кабель подключаем к программатору. Программатор к компьютеру, на котором установлена программа AVRDUDESHELL. Подключать плату часов к питающей сети 220В не следует.
Если при чтении фьюзов возникла проблемы - проверяйте монтаж - возможно где то есть короткое замыкание или "непропай". Еще один совет - возможно микроконтроллер находится в режиме низкоскоростного программирования, тогда достаточно переключить программатор в этот режим (
– часы с цифровой коррекцией точности, календарь
– будильник с установкой по дням недели.
– два термометра.
– индикация на 8-и разрядный семисегментный индикатор. Анимированная смена индикации.
– автоматическая регулировка яркости индикатора.
Описание часов.
1. Функции.
– часы, формат отображения времени 24-х часовый, часы-минуты-секунды. Ежечасно срабатывает короткий звуковой сигнал («кукушка»), если разрешен в настройках. Сигнал не срабатывает в ночном режиме.
– календарь, формат отображения ДД-ММ-ГГ.
– цифровая коррекция точности. Возможна ежесуточная коррекция ±25 сек. Установленное значение в 1 час 0 минут 30 сек будет прибавлено/вычтено из текущего времени.
– будильник. В заданное время в течении одной минуты раздаются короткие двойные сигналы. Отключить звук досрочно можно нажатием на любую из кнопок. Если звук не отключен, то через 5 минут будильник включится снова на одну минуту. Всего 5 повторов, дальше звук отключается до следующего срабатывания будильника. Когда работа будильника разрешена, при отображении времени в младшем разряде индицируется точка. Выбор дней недели для работы будильника.
– термометр, два датчика. Диапазон измеряемых температур -55,0 ÷ 125,0 о С.
– индикация. Поочередная.
– настраиваемая анимация смены показаний.
– использование энергонезависимой памяти микроконтроллера для сохранения настроек при отключении питания.
– в основном режиме кнопкой SET производится ручное переключение отображаемой информации.
– переключение между дневным и ночным режимами яркости в заданное время.
– автоматическая регулировка яркости индикатора в зависимости от освещения.
2. Настройка.
2.1. При включении питания часы в основном режиме.
2.2. Нажатием на кнопку MENU производится вход в режим настроек и выбора группы параметров для установки. В пределах группы выбор параметра для установки производится кнопкой SET . По-очереди доступны для установки:
Группа CLOC :
– секунды (обнуляются при нажатии на кнопки PLUS или MINUS );
– минуты;
– часы;
– день недели.
Группа dAtE :
– год;
– месяц;
– дата.
Группа Corr :
– величина коррекции.
Группа ALAr :
– время срабатывания будильника, в старшем разряде символ A ;
– глобальная активация будильника AL On - будильник активен, AL OFF - работа будильник запрещена;
– активация будильника по дням недели. На индикаторе "On ", если работа будильника разрешена, "OFF ", если запрещена.
Группа diSP :
– время индикации температуры датчика "Улица". В старших разрядах символы "tУ
– время индикации температуры датчика "Дом". В старших разрядах символы "td ". Диапазон установки 0÷99 сек; Если установлен 0, то на индикаторы выводиться не будет.
– время индикации текущего времени. В старших разрядах символы "tc ". Диапазон установки 0÷99 сек; Если установлен 0, то на индикаторы выводиться не будет.
– время индикации даты. В старших разрядах символы "tdt ". Диапазон установки 0÷99 сек. Если установлен 0, то на индикаторы выводиться не будет.
– выбор скорости анимации. В старшем разряде символ "SP ". Диапазон установки 0÷99. Одна единица соответствует примерно 2 мсек, чем выше величина, тем медленнее идет анимация.
Группа LiGH :
– максимальная яркость индикатора в дневном режиме. В старших разрядах DAУ . Диапазон установки 0÷99;
– время включения дневного режима. В старшем разряде символ d .
– максимальная яркость индикатора в ночном режиме. В старших разрядах niGH . Диапазон установки 0÷99;
– время включения ночного режима. В старшем разряде символ n .
Группа Sound :
– включение режима «кукушка». В старших разрядах символы cuc , если ежечасный звуковой сигнал разрешен, то в младших разрядах On , если запрещен – OFF .
2.3. Устанавливаемый параметр мигает.
2.4. Удержанием кнопок PLUS /MINUS производится ускоренная установка параметра.
3. Примечания.
1. При установке параметров яркости информация на индикаторе отображается с выбранной величиной яркости.
2.Необходимо соизмерять скорость анимации и время отображения информации. Если выбрана медленная анимация и малое время отображения, то может оказаться, что информация не успевает полностью обновиться до очередной смены.
3. Если время индикации для всех параметров установлено 0, тогда на индикатор будет выведено время без анимации.
4. В дневное время нажатие на кнопки озвучивается коротким сигналом.
4. Особенности схемы.
1. Датчик температуры может работать и по 2-х проводной схеме подключения. Если планируется измерять температуру в помещении, где установлены часы, то датчик все равно следует выносить за корпус часов.
2. Пищалка BUZ1 должна быть со встроенным генератором. В зависимости от тока потребления возможно придется установить усилитель (транзисторный ключ).
3. Индикатор с общим катодом. Если яркость окажется недостаточной, тогда следует установить дополнительные ключи (в архиве в папке Clock_ULN2803_v4).
4. При прошивке МК следует установить FUSE для работы от внутреннего тактового генератора частотой 8 МГц.
5. В проекте (это по сути уже схема) не показаны выводы питания микросхем.
6. При изготовлении переменный резистор RV1 следует заменить фоторезистором. Резистор R18 подобрать по наиболее оптимальному изменению яркости индикатора при изменении освещенности.
24.02.2015 Исправлена ошибка при смене индикации в варианте с ULN2803.
16.03.2015 Исправлена нечеткость работы одного из эффектов анимации.
28.03.2015 Небольшие изменения в индикации тире при отображении времени. Версии файлов 4.1
Видео работы программы, от пользователя wolf2000 .