Нещодавно я копався в коробці зі старими компонентами. Я шукав щось інше, але зупинився, коли до рук потрапило кілька газорозрядних індикаторів. Одного разу (давно, дуже давно) я дістав їх зі старого калькулятора.
Згадую… Тридцять років тому шість індикаторів були невеличким скарбом. Той, хто міг тоді зробити з такими індикаторами годинник на ТТЛ логіці, вважався досвідченим знавцем своєї справи.
Світіння газорозрядних індикаторів здавалося теплішим. За кілька хвилин мені стало цікаво, чи запрацюють ці старі лампи, і захотілося щось зробити на них. Тепер зробити такий годинник дуже просто. Достатньо взяти мікроконтролер.
Оскільки тоді я захоплювався програмуванням мікроконтролерів мовами високого рівняя вирішив трохи пограти. Я спробував сконструювати простий годинник на цифрових газорозрядних індикаторах.
Мета конструювання
Я вирішив, що годинник повинен мати шість цифр, а час повинен встановлюватися мінімальною кількістюкнопки. Крім того, я хотів спробувати використати кілька найпоширеніших сімейств мікроконтролерів різних виробників. Програму я мав намір писати мовою C.
Газорозрядним індикаторам для роботи потрібна висока напруга. Але мати справу з небезпечною мережевою напругою я не хотів. Годинник повинен був харчуватися нешкідливою напругою 12 ст.
Оскільки основною моєю метою була гра, ви не знайдете тут опис механічної конструкції та креслень корпусу. За бажання, ви самі зможете змінити годинник відповідно до своїх смаків та досвіду.
Ось що в мене вийшло:
- Індикація часу: ПЧ ММ СС
- Індикація будильника: ЧЧ ММ -
- Режим відображення часу: 24 години
- Точність ±1 секунда на день (залежить від кварцового резонатора)
- Напрузі живлення: 12 В
- Споживаний струм: 100 мА
Схема годинника
Для пристрою із шестирозрядним цифровим дисплеєм природним рішенням був мультиплексний режим.
Призначення більшості елементів блок-схеми (малюнок 1) зрозуміло без коментарів. Певною мірою нестандартним завданням було створення перетворювача рівнів ТТЛ високовольтні сигнали управління індикаторами. Драйвери анодів виготовлені на високовольтних NPN та PNP транзисторах. Схема запозичена у Стефана Кнеллера (http://www.stefankneller.de).
ТТЛ мікросхема 74141 містить двійково-десятковий дешифратор та високовольтний драйвер для кожної цифри. Можливо, замовити одну мікросхему буде складно. (Хоча я не знаю, чи виробляються вони взагалі будь-ким зараз). Але якщо ви знайшли газорозрядні індикатори, 74141 можуть виявитися десь поруч:-). За часів ТТЛ логіки альтернативи мікросхемі 74141 практично не було. Так що спробуйте знайти десь одну штуку.
Індикаторам потрібна напруга порядку 170 В. Розробляти спеціальну схему для перетворювача напруги немає сенсу, оскільки існує величезна кількість мікросхем перетворювачів, що підвищують. Я вибрав недорогу та широко доступну мікросхему MC34063. Схема перетворювача майже повністю скопійована з технічного опису MC34063. До неї лише додано силовий ключ T13. Внутрішній ключ для такої високої напруги не підходить. Як індуктивність для перетворювача я використовував дросель. Він показаний на малюнку 2; його діаметр 8 мм, а довжина 10 мм.
ККД перетворювача цілком хороша, а вихідна напруга відносно безпечна. При струмі навантаження 5 мА вихідна напруга падає до 60 В. R32 виконує функцію вимірювального резистора.
Для живлення логіки використовується лінійний регулятор U4. На схемі та на платі є місце для резервного акумулятора. (3.6 В – NiMH або NiCd). D7 та D8 – це діоди Шоттки, а резистор R37 призначений для обмеження зарядного струму відповідно до характеристик акумулятора. Якщо ви збираєте годинник просто для розваги, акумулятор, D7, D8 та R37 вам не знадобляться.
Остаточну схему показано на Малюнку 3.
| Малюнок 3. | ||
Кнопки встановлення часу підключені через діоди. Стан кнопок перевіряється встановленням логічного «1» на відповідному виході. Як бонусну функцію до виходу мікроконтролера підключений п'єзовипромінювач. Щоб заткнути цей неприємний писк, використовуйте маленький вимикач. Для цього цілком підійшов би і молоток, але це на крайній випадок:-).
Перелік компонентів схеми, малюнок друкованої плати та схему розміщення елементів можна знайти у розділі «Завантаження».
Процесор
Керувати цим нескладним пристроєм може практично будь-який мікроконтролер з достатньою кількістю висновків, мінімально необхідну кількість яких зазначено в Таблиці 1.
| Таблиця 1. | ||||||||||||||||
|
Кожен виробник розробляє власні сімейства та типи мікроконтролерів. Розташування висновків індивідуальне кожному за типу. Я постарався створити універсальну плату для декількох типів мікроконтролерів. На платі встановлено 20-контактну панельку. За допомогою декількох дротяних перемичок можна адаптувати її для різних мікроконтролерів.
Нижче наведено мікроконтролери, перевірені в цій схемі. Ви можете експериментувати з іншими типами. Перевагою схеми є можливість використання різних процесорів. Радіоаматори, як правило, використовують одне сімейство мікроконтролерів і мають відповідний програматор та програмний інструментарій. З мікроконтролерами інших виробників можуть виникнути проблеми, тому я дав вам можливість вибрати процесор з улюбленого сімейства.
Вся специфіка включення різних мікроконтролерів відбито у Таблицях 2…5 і Малюнка 4…7.
| Таблиця 2. | ||||||||||||
|
Примітка: Паралельно резонатору кварцовому включений резистор 10 МОм.
| Таблиця 3. | ||||||||||||
|
Примітка: Мікросхему необхідно розгорнути на 180°.
| Таблиця 4. | ||||||||||||
|
Примітка: Додайте SMD компоненти R і C до виведення RESET (10 кОм та 100 нФ).
| Таблиця 5. | ||||||||||||
|
Примітка: Додайте SMD компоненти R і C до виведення RESET (10 кОм та 100 нФ); висновки, відмічені зірочками, з'єднайте з шиною живлення + Ub через резистори SMD 3.3 кОм.
Порівнявши коди для різних мікроконтролерів, ви побачите, що вони дуже схожі. Відмінність доступу до портів і визначення функцій переривань, а також у тому, що залежить від компонентів обв'язки.
Вихідний код складається із двох секцій. Функція main()налаштовує порти та запускає таймер, що формує сигнали переривання. Після цього програма сканує натиснені кнопки та встановлює відповідні значення часу та будильника. Там же в головному циклі поточний час порівнюється з будильником і вмикається п'єзовипромінювач.
Друга частина є підпрограмою обробки переривань від таймера. Підпрограма, яка викликається через кожну мілісекунду (залежно від можливостей таймера), інкрементує змінні часу та керує цифрами дисплея. Крім того, перевіряється стан кнопок.
Запуск схеми
Монтаж компонентів та налаштування починайте з джерела живлення. Запаяйте регулятор U4 і його компоненти. Перевірте наявність напруги 5 для мікросхеми U2 і 4.6 для U1. Наступним кроком зберіть високовольтний перетворювач. Підстроювальним резистором R36 встановіть напругу 170 В. Якщо діапазону підстроювання виявиться недостатньо, трохи змініть опір резистора R33. Тепер встановіть мікросхему U2, транзистори та резистори схеми драйверів анодів та цифр. З'єднайте входи U2 із шиною GND і послідовно підключайте по одному з резисторів R25 - R30 до шини живлення +Ub. У відповідних позиціях слід запалювати цифри індикаторів. На останньому етапі перевірки схеми з'єднайте із землею висновок 19 мікросхеми U1 - повинен запищати п'єзовипромінювач.
Вихідні коди та відкомпільовані програми ви знайдете у відповідному ZIP файлі у розділі «Завантаження». Після зашивки програми в мікроконтролер ретельно перевірте кожен висновок позиції U1 і встановіть необхідні перемички з дроту і припою. Звіряйтеся із зображеннями мікроконтролерів, наведеними вище. Якщо мікроконтролер запрограмований і правильно підключений, повинен запрацювати його генератор. Ви можете встановити час та будильник. Увага! На платі є місце ще для однієї кнопки - це запасна кнопка для майбутніх розширень:-).
Перевірте точність частоти генератора. Якщо вона не вкладається в очікуваний діапазон, змініть номінали конденсаторів C1 і C2. (Припаяйте паралельно конденсатори невеликої ємності або замініть їх на інші). Точність ходу годинника повинна покращитися.
Висновок
Невеликі 8-бітові процесори цілком пристосовані до мов високого рівня. Спочатку мова C не призначалася для невеликих мікроконтролерів, проте для простих програм ви чудово можете використовувати її. Асемблер краще підійде для складних завдань, що вимагають дотримання критичних часів або максимального завантаження процесора. Більшість радіоаматорів підійдуть як безкоштовні, і умовно-безкоштовні обмежені версії компілятора C.
Програмування на C однаково всім мікроконтролерів. Ви повинні знати функції апаратних засобів (регістрів та периферії) обраного типу мікроконтролера. Будьте обережні з бітовими операціями - мова C до маніпуляцій з окремими бітами не пристосована, що можна побачити на прикладі вихідного колись для ATtiny.
Закінчили? Тоді налаштуйтеся на споглядання вакуумних ламп і дивіться.
…повертаються старі часи… :-)
Примітка редакції
Повним аналогом SN74141 є мікросхема К155ІД1, що випускалася мінським ПЗ «Інтеграл».
Мікросхему легко можна знайти в мережі Інтернет.
Надзвичайно важливим є вибір серії мікросхем, на якій буде реалізована ця схема. Для годинника найважливішим параметром є струм, споживаний ними, так як у більшості випадків або всі годинники, або частина схеми годинника живиться від елементів живлення. Тому при розробці схеми вибиратимемо мікросхеми, реалізовані по .
Розробку схеми годинника почнемо з кварцового генератора. Як вже обговорювалося при розробці структурної схеми, у складі генератора буде застосований кварцовий часовий резонатор. Для зменшення вартості всього пристрою в цілому застосуємо найпростішу схему генератора - ємнісну триточку, а так як генератор призначений для синхронізації цифрового пристрою, генератор виконаємо на логічному інверторі. Принципова схема такого кварцового генератора наведено малюнку 1.
Рисунок 1. Схема кварцового генератора, виконана на логічному інверторі
Нагадаю, що резистор R1 призначений для автоматичного запуску генератора при включенні живлення. Цей елемент визначає коефіцієнт посилення інвертора, і що більше цей коефіцієнт посилення, тим більше прямокутні коливання формуватимуться з його виході, але це, своєю чергою, призведе до зниження струму, споживаного кварцовим генератором. Виберемо R1 рівним 10 Мом.
R2 призначений для запобігання самозбудження генератора на частоті, що визначається ємністю кварцетримача. Виберемо значення опору цього резистора 510 кОм.
Другий у схемі генератора призначений для зменшення тривалості фронтів прямокутного коливання, що формується. Це необхідно для зменшення впливу наступної схеми на стабільність коливань генератора, що задає, а також для більш надійної роботи цифрових лічильників дільника частоти.
Як мікросхему, що містить інвертори, виберемо мікросхему SN74LVC2G04DRL. У цій мікросхемі, побудованій за КМОП технологією, міститься два інвертори. Про те, що у мікросхемі міститься два елементи, говорить позначення 2G. Те, що це інвертори - позначається цифрою 04, а те, що в мікросхемі використаний корпус з кроком висновків 0,5 мм - літери DRL. Розміри корпусу цієї мікросхеми не перевищують 1.6*1.6мм (у корпусу лише шість висновків). Мікросхема здатна працювати в діапазоні напруги від 1,5 до 5,5 В.
Наступною реалізуємо схему дільника частоти значення 1 Гц. Нагадаю, що період коливань із частотою 1 Гц дорівнює 1 секунді. Як це ми вже визначили при розробці структурної схеми, його коефіцієнт поділу повинен дорівнювати 32768. Тобто для реалізації дільника потрібно 15 рахункових тригерів. Звичайно, можна взяти мікросхему К176ІЕ12, спеціально розроблену для цієї мети, але ми не шукаємо простих шляхів, тому використовуємо універсальну мікросхему SN74HC393PW. У ній є два незалежні чотирирозрядні двійкові лічильники. Це означає, що для реалізації нашого дільника буде достатньо двох мікросхем.
Розміри корпусу обраної мікросхеми не перевищують 56.4мм. Корпус цієї мікросхеми має 14 висновків. Якщо до габаритів годинника немає особливих вимог, то можна використовувати вітчизняну мікросхемуК1564ІЕ19. Її корпус більше корпусу обраної мікросхеми більш ніж удвічі. Однак навіть номери висновків мікросхем співпадатимуть. Отримана принципова схема генератора секундних імпульсів електронного годинника наведена на малюнку 2.
Малюнок 2. Схема дільника на 32768 генератора секундних імпульсів
Тепер згадаємо, що у генераторі часових інтервалів необхідний ще один дільник частоти. Період імпульсів на його виході дорівнюватиме 1 хвилині. Дільник на шістдесят можна реалізувати на такій же мікросхемі що ми використовували і раніше для побудови дільника на 32768.
Дільник на шістдесят не кратен ступеня числа два, тому для його реалізації буде потрібно зворотний зв'язок. Для спрощення схеми звернемо увагу, що число 60 розбивається на числа 10 та 6. І те, й інше число містять лише дві одиниці. Висновки 4-х розрядних лічильників виходять на різні боки корпусу мікросхеми. Тому буде зручно використовувати два незалежні логічні елементи “2І”. Це дозволить значно спростити розведення друкованої плати та скоротити довжину з'єднувальних проводів, тим самим зменшивши площу друкованої плати та можливі перешкоди від працюючої схеми.
Як логічні елементи "2І" використовуємо дві мікросхеми SN74LVC1G08DRLR. Те, що в мікросхемі міститься лише один логічний елемент, ми визначаємо за символами 1G, а те, що це логічний елемент "2І" – за цифрами 08. Розміри корпусу вибраної мікросхеми не перевищують 1.6×1.6 мм. Вітчизняні варіанти подібної мікросхеми, наприклад, К1554ЛИ1, містять в одному корпусі відразу по чотири логічні елементи, відстань між висновками становить мінімум 1,25 мм. В результаті схема, зібрана на таких мікросхемах, буде ідентична електричними параметрами, але програє за розмірами.
Отримана схема дільника частоти на 60, що виробляє імпульси з періодом 1 хв і складається з послідовно включених дільників на 10 і 6, наведена малюнку 3. Схема реалізована лише на трьох мікросхемах. Використання зворотного зв'язку з висновків Q1 і Q3 перетворює двійковий лічильник D1.1 на десятковий, а застосування зворотного зв'язку з висновків Q1 і Q2 мікросхеми D1.2 реалізує лічильник модуля 6.
Рисунок 3. Схема дільника на 60 генератора хвилинних імпульсів
Отже, ми закінчили розробку генератора хвилинних імпульсів. Усього нам знадобилося шість мікросхем, при цьому три з них відносяться до мікросхем малої логіки і займають мінімум місця на друкованій платі цифрового пристрою.
Тепер можна розпочати розробку принципової схеми лічильника часових інтервалів. Як ми вже з'ясували при розробці структурної схеми годинника, до складу цього лічильника входить такий самий дільник на 60, як і в генераторі хвилинних імпульсів, тому можна скористатися тією ж схемою. Відмінність полягає лише в тому, що цього разу нам знадобляться всі виходи лічильників. Сигнали цих висновків ми будемо придушити на вхід блоку індикації.
Останній лічильник, який нам знадобиться для реалізації блоку лічильника тимчасових інтервалів - це лічильник на 24. блоки годинників - SN74HC393PW.
Складність у реалізації цієї схеми полягає в тому, що коефіцієнт рахунку не кратний десяти, тому сигнал зворотного зв'язку необхідно заводити на обидва лічильники одночасно. Можна було б реалізувати цей лічильник у двійковому вигляді, але тоді виникнуть складнощі з відображенням вмісту цього лічильника. Для того, щоб реалізувати на першому 4-х розрядному лічильнику десятковий лічильник і одночасно отримати можливість скидання всього лічильника годинника на початку доби використовуємо додатковий логічний елемент "2АБО". Сигнал скидання на виході цієї мікросхеми з'явиться у разі досягнення першим лічильником числа 10, або при досягненні всім лічильником значення 24.
Як логічний елемент “2АБО” використовуємо мікросхему малої логіки, подібну до вже використаної мікросхеми “2І”. Це мікросхема SN74LVC1G32DRLR. Цифра 32 у назві мікросхеми і позначає логічний елемент "2АБО". Розміри корпусу цієї мікросхеми вбираються у 1.6´1.6мм. В результаті, незважаючи на дещо складнішу принципову схему площа, яку займає лічильник годинника, значно зменшується.
Повна принципова схема лічильника годинникових імпульсів, реалізована на мікросхемі SN74HC393PW наведена малюнку 4. Використання зворотний зв'язок з висновків Q1 і Q3 першої мікросхеми перетворює їх у десятковий лічильник. Для реалізації лічильника за модулем 24 ми використовуємо зворотний зв'язок з виведення Q1 старшого розряду лічильника (двійка) та виведення Q2 молодшого розряду лічильника годинника (четвірка).
Рисунок 4. Схема лічильника вартових імпульсів
Таким чином, ми реалізували основну частину схеми годинника, але як це вже обговорювалося при розробці структурної схеми цього недостатньо. Потрібно вміти відображати отриману цифрову інформацію. Перейдемо до розробки блоку індикації годинника.
Література:
Разом із статтею "Розробка принципової схеми годинника" читають:
Принципова схема годинника наведена на рис. Вона містить три мікросхеми підвищеного рівня інтеграції серії К176, два транзистори та 36 інших дискретних елементів. Індикатор - плоский багаторозрядний, катодо-люмнесцентний, з динамічною індикацією ШВЛ1 - 7/5. Він має чотири цифри висотою 21 мм та дві розділові точки, розташовані вертикально.
Генератор секундних та хвилинних імпульсів виконаний на мікросхемі - ІМС1 К176ІЕ18. Крім того, ця мікросхема створює імпульси частотою прямування 1024 Гц (висновок 11), які використовуються для роботи сигнального пристрою. Для створення переривчастого сигналу використовуються імпульси частотою 2 Гц (висновок 6). Частота 1 Гц (висновок 4) створює ефект «миготіння» розділових точок. Імпульси частотою проходження 128 Гц, зсунуті відносно один одного по фазі на 4 мс (висновки 1, 2, 3, 15) подаються на сітки чотирьох цифр індикатора, забезпечуючи їх послідовне свічення. Комутація відповідних лічильників хвилин та годин здійснюється частотою 1024 Гц (висновок 11). Кожен імпульс, що подається на сітки індикатора, дорівнює за тривалістю двох періодів частоти 1024 Гц, тобто сигнал, що подається на сітку з лічильників, буде двічі увімкнений і вимкнений. Таким підбором частоти синфазних імпульсів забезпечується два ефекти: динамічна індикація та імпульсна робота дешифратора та індикатора.
Інтегральна мікросхема ІМС2 К176ІЕ13 містить лічильники хвилин і годин основних годин, лічильники хвилин і годин для встановлення часу сигнального пристрою, а також комутатори для перемикання входів і виходів цих лічильників. Виходи лічильників через комутатор підключаються до дешифратора двійкового коду семиелементний код індикатора. Цей дешифратор виконаний на мікросхемі ІМСЗ К176ІДЗ. Виходи дешифратора приєднуються до відповідних сегментів усіх чотирьох цифр паралельно. При відтиснутій кнопці S2 «Дзвінок» індикатор підключений до лічильників годинника (для впізнавання цього режиму точка блимає з частотою 1 Гц). Натиснувши кнопку S6 «Кор.», проводять установку лічильників годинника (мікросхема К176ІЕ13) і дільників генератора хвилинної послідовності імпульсів (мікросхема К176ІЕ18) в нульовий стан. Після відпускання кнопки S6 годинник працюватиме як завжди. Потім натисканням кнопок S3 "Мін" і S4 "Година" проводять установку хвилин і годин поточного часу. У цьому режимі можливе увімкнення звукового сигналу. При натиснутій кнопці S2 «Дзвінок» до дешифратора та індикатора підключаються лічильники сигнального пристрою. У цьому режимі також висвічується чотири цифри, але миготливі точки згасають. Натиснувши кнопку S5 «Буд» і утримуючи її, послідовно натискають на кнопки S3 «Мін» і S4 «Година», встановлюють необхідний час спрацьовування сигнального пристрою, спостерігаючи за показаннями індикатора. Схема годинника дозволяє встановлювати знижену яскравість світіння індикаторів за допомогою кнопки S1 «Яскравість». Однак при цьому слід пам'ятати, що при зниженій яскравості (кнопка S1 натиснута) увімкнення звукового сигналу, а також встановлення часу годинника та сигнального пристрою неможливі.
Блок живлення БП6 - 1 - 1 містить мережевий трансформатор Т, що створює напругу 5 В (з середньою точкою) для живлення катоду індикатора і напруга 30 В для живлення інших ланцюгів індикатора і мікросхем. Напруга 30 В випрямляється кільцевою схемою на чотирьох діодах (VD10 - VD13), а потім за допомогою стабілізатора на стабілітроні VD16 щодо корпусу створюється напруга +9 В для живлення мікросхем, а за допомогою стабілізатора на стабілітронах VD14, VD15 і транзистора 25 В (щодо катода) для живлення сіток та анодів індикаторів. Потужність, споживана годинником, трохи більше 5 Вт. Передбачено підключення резервного живлення для збереження часу годинника при вимкненні мережі. Може бути використана будь-яка батарея 6…9В.
Література МРБ1089
Раніше мною були опубліковані на сайті Великий вуличний годинникз динамічною індикацією. По роботі годинника претензій немає: точний хід, зручні налаштування. Але один великий мінус - вдень погано видно світлодіодні індикатори. Для вирішення проблеми перейшов на статичну індикацію та яскравіші світлодіоди. Як завжди в програмне забезпеченнявелике спасибі Soir. Загалом пропоную вашій увазі великий вуличний годинник зі статичною індикацією, функції налаштування залишилися як і в попередніх годинах.
У них два дисплеї – основний (зовні на вулиці) та допоміжний на індикаторах SA15-11 SRWA- У приміщенні, на корпусі приладу. Висока яскравість досягається застосуванням ультраяскравих світлодіодів. AL-103OR3D-D, з робочим струмом 50мА, та мікросхем-драйверів tpic6b595dw.
Схема електронного годинника для вулиці на яскравих світлодіодах
Особливості даної схеми годинника:
— Формат відображення часу 24-годинний.
- Цифрова корекція точності ходу.
- Вбудований контроль основного джерела живлення.
- Енергонезалежна пам'ять мікроконтролера.
- Є термометр, який вимірює температуру в діапазоні -55 - 125 градусів.
— Можливе почергове виведення інформації про час і температуру на індикатор.
Натискання кнопки SET_TIME переводить індикатор по колу з основного режиму годинника (відображення поточного часу). У всіх режимах утриманням кнопок PLUS/MINUS виконується прискорене встановлення. Зміни налаштувань через 10 секунд від останньої зміни значення запишуться в енергонезалежну пам'ять (EEPROM) і будуть зчитані звідти при повторному вмиканні живлення.
Ще один великий плюс запропонованого варіанта – змінилася яскравість, тепер у сонячну погоду яскравість прекрасна. Зменшилася кількість дротів з 14 до 5. Довжина дроту до основного (вуличного) дисплея - 20 метрів. Роботою електронного годинника задоволений, вийшов повнофункціональний годинник — і вдень, і вночі. З повагою, Soir-Олександрович.
