Схемы бинарных часов на pic. Бинарные часы на ATMega32

Эти необычные карманные часы могут стать оригинальным подарком. Индикатор времени в них построен всего на шести единичных светодиодах. Секрет в том, что число часов и число минут текущего времени отображаются ими в виде двоичных чисел и только при нажатиях на соответствующие кнопки, всё остальное время микроконтроллер часов "спит", а индикатор выключен, что резко снижает ток, потребляемый от литиевого элемента питания.

Чтобы понять, что такое двоичная система счисления, запустим в компьютере имеющуюся в операционной системе Windows программу "Калькулятор". Поскольку в различных версиях системы эти программы различаются, здесь будем рассматривать ту, которая входит в состав Windows XP Запустив программу, найдите в её окне и нажмите мышью экранную кнопку "Вид", затем в выпавшем списке выберите "Инженерный". После этого к прежним простейшим функциям калькулятора добавится множество других, позволяющих производить сложные вычисления. Слева под индикатором появится переключатель системы счисления: "Hex" (шестнадцатеричная), "Dec" (десятичная), "Oct" (восьмеричная) и "Bin" (двоичная). Сразу после запуска программы он находится в положении "Dec". Это означает, что все исходные данные для вычислений и их результаты будут представляться в привычной для нас десятичной системе счисления.

Наберите для примера число 58, нажав на соответствующие цифровые кнопки. Если теперь перевести переключатель в положение "Bin", щёлкнув мышью по соответствующей надписи, то в окне результата цифры 58 сменятся на 111010. Это то же самое число, представленное в двоичной системе счисления. Чтобы убедиться в этом, можно воспользоваться таблицей, поясняющей принцип формирования двоичных и десятичных чисел. Двоичные разряды, в отличие от десятичных, могут принимать только два значения — 0 и 1. Веса двоичных разрядов увеличиваются справа налево в два раза, а не в 10 раз, как в десятичной системе.

Двоичная система исчисления широко используется в цифровых устройствах, поскольку позволяет обойтись простыми логическими элементами, различающими только два значения — 0 и 1. Сегодня многие фирмы выпускают такие часы. Чтобы убедиться в этом, достаточно поискать в Интернете фразу "Часы двоичные".

Но для радиолюбителя гораздо интереснее не купить, а сделать двоичные часы своими руками. В предлагаемой конструкции всего три управляющие кнопки: включения индикации текущего часа, минут и коррекции времени — точной установки момента начала часа. Часы защищены от сбоев, вызванных случайными нажатиями на кнопку коррекции. Они построены на широко известных и часто применяемых радиолюбителями элементах.

Схема часов показана на рис. 1. Отсчёт времени ведёт и выводит его на светодиоды микроконтроллер DD1 . Его тактовая частота 32768 Гц стабилизирована низкочастотным "часовым" кварцевым резонатором ZQ1. Питается устройство от литиевого элемента G1 напряжением 3 В. Как известно, такие элементы отличаются минимальной саморазрядкой и способностью работать при пониженной температуре. Конденсатор С1 подавляет высокочастотные импульсы. Благодаря низкой тактовой частоте микроконтроллер потребляет небольшой ток, что делает возможной длительную эксплуатацию часов без замены элемента питания.

К выходам микроконтроллера RA0— RA4, RB5, RB6 через ограничительные резисторы R1—R7 подключены светодиоды HL1—HL7. Шесть из них (HL2— HL7) показывают время, на них можно отобразить числа от 0 (все выключены) до 63 (все включены). Это позволяет вывести по очереди число часов от 0 до 23 и минут от 0 до 59. Около светодиодов указаны веса двоичных разрядов, которым они соответствуют.

Включают индикацию часов или минут соответственно кнопками SB1 и SB2, соединёнными с входами RB0 и RB1 микроконтроллера. Так как индикация включается всего на несколько секунд, в течение которых кнопка удерживается нажатой, энергия элемента питания расходуется экономно, он служит длительное время. Кнопкой SB3, подключённой к входу RB7 микроконтроллера, производят корректировку времени. Это следует делать только в начале очередного часа, так как в процессе корректировки счётчики минут и секунд обнуляются.

Светодиод HL1 при нажатой кнопке SB1 или SB2 вспыхивает каждую секунду. Он служит индикатором активности устройства и позволяет убедиться в его работоспособности при нулевых значениях часов или минут. Если бы его не было, возникала бы неприятная ситуация, когда при нажатой кнопке ни один из светодиодов не подаёт "признаков жизни".

Вывод 4 микроконтроллера, обычно служащий входом его установки в исходное состояние MCLR, в данном случае сконфигурирован как обычный дискретный вход RA5. Начальная установка при включении питания производится внутренними средствами микроконтроллера. Для исключения случайных помех вход RA5 соединён с общим проводом. Остальные линии порта A программа конфигурирует как выходы.

Линии RB0, RB1, RB7 порта B она конфигурирует как входы и подключает к ним внутренние резисторы, поддерживающие на этих входах высокий логический уровень (при отпущенных кнопках). Остальные линии порта B конфигурируются как выходы. В завершение процедуры инициализации программа по очереди включает на секунду каждый светодиод. Это позволяет оценить правильность монтажа и убедиться в работоспособности программы.

Счёт времени в микроконтроллере DD1 ведёт встроенный таймер T1. Программа настраивает его так, что он каждую секунду генерирует запрос прерывания. Подпрограмма-обработчик прерывания формирует в оперативной памяти микроконтроллера значение текущего времени — секунды, минуты и часы.

Обработчик прерывания при каждом вызове проверяет также логические уровни на входах RB0, RB1 и RB7, зависящие от состояния кнопок SB1—SB3. При низких уровнях на входах RB0 или RB1 включается соответственно индикация часов или минут. При низком уровне на входе RB7, свидетельствующем о нажатой кнопке SB3, и одновременно низком уровне на одном из входов RB0 или RB1 производится корректировка времени. Так сделано для уменьшения вероятности сбоя хода часов в результате случайного нажатия на кнопку SB3.

Программа микроконтроллера небольшая по размеру и несложная. Без всяких изменений она может работать как в микроконтроллерах PIC16F628A, так и в PIC16F628. Исходный текст программы, приложенный к статье, снабжён подробными комментариями, позволяющими разобраться в алгоритме работы и даже усовершенствовать программу. Например, ввести индикацию секунд или режим секундомера. Для этого нет необходимости менять схему часов, так как можно организовать включение этих функций одновременным нажатием на кнопки SB1 и SB2.

Корректировка времени производится с помощью кнопки SB3. При её выполнении значения минут и секунд обнуляются. Если минут было меньше 30, число часов не изменяется, в противном случае оно увеличивается на единицу. Если кнопку SB3 удерживать нажатой, то каждую секунду к числу часов будет добавляться единица. Это бывает необходимо при первоначальной установке текущего времени после включения питания, а также при переходах с летнего на зимнее время и обратно.

Для индикации секунд в программе необходимо найти место, где обрабатывается состояние кнопок, и добавить там выдачу на индикацию значения, хранящегося в регистре-счётчике секунд. Чтобы ввести режим секундомера, потребуется использовать дополнительный регистр. При двух нажатых кнопках его содержимое следует каждую секунду увеличивать на единицу и выводить на индикацию. Изменённый текст программы следует оттранслировать в среде MPLAB, а полученный HEX-файл загрузить в память микроконтроллера.

Часы собраны на фрагменте макетной платы, как показано на рис. 2. Резисторы (для поверхностного монтажа) смонтированы на обратной стороне платы. Светодиоды FYL-3014SRC можно заменить другими. Чтобы убедиться в пригодности светодиода, подключите его к источнику напряжения 3 В через резистор 390 Ом и оцените яркость свечения.

Конденсаторы, резисторы, кнопки — любые малогабаритные. Желательно, чтобы кнопка SB3 была с укороченным толкателем. Его конец не должен возвышаться над поверхностью корпуса часов и даже быть утоплен, чтобы нажать на него было можно только каким-либо заострённым предметом. Такое конструктивное решение служит дополнительной к программной защитой от случайного нажатия на кнопку.

Эти наручные электронные часы показывают время в двоичной системе, поскольку для этого требуется меньше светодиодов для отображения времени, чем у обычных цифроиндикаторных часов, да и оригинальность будет на уровне. Распространённый кварц 32С417 на 32.786 кГц был использован, чтобы PIC16F527 запустить в режиме низкой мощности и помочь повысить точность хронометража. Для ношения на запястье руки использовался подходящий матерчатый ремень.

Микроконтроллер PIC16F527 тут использовался потому, что он имеет самый маленький из доступных пакетов. Для питания часов подходят батареи типа CR2032 в специальном держателе. Эта батарея имеет приличную емкость, хотя она размером всего с монету. Чтобы уменьшить площадь печатной платы и стоимость конструкции, было выбрано одну-единственное гасящее сопротивление для всего блока SMD светодиодов.

Увеличить изображение можно сохранив его на компьютере. Проектировка схемы тут на базе типовой двухслойной печатной платы.

А стандартный 20 мм ремешок как раз помещается внутри вырезов.

Алгоритм работы часов

Основной цикл отслеживает, в каком режиме работают часы в настоящее время. Первое состояние - в нерабочем виде, где часы опрашивает коммутатор и ждет ввода пользователя. После того, как кнопка нажата, система движется ко второму состоянию, которое вычисляет, как долго часы будут отображаться. Затем идёт переход на состояние три, которое делает большую часть работы по разветвлению исходя из того, что пользователь в данный момент делает. Часы включают светодиоды в таком состоянии. Если пользователь удержал кнопку в течение более 3 секунд - часы переходят в состояние четыре. Это состояние коррекции времени. Чем дольше кнопка нажата, тем быстрее время меняется.

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).

Добрый день, уважаемые радиолюбители. Представляю Вашему вниманию бинарные , схему их нашёл на радокоте, только изменил прошивку под кварцевый резонатор на 7,2 МГц (т.к уже давно он ловил пыль на полке и не знал куда его применить, переделал плату, т.к. автор разработки её развёл на мой взгляд не совсем грамотно (надеюсь он не обидится на мои слова), добавил на линию питания ионистор - это такой конденсатор большой ёмкости, на 0,47 Фарада

(на фото он чёрный, прямоугольной формы, отпаяный из какой-то автомагнитолы), чтобы не сбрасывалось время в моменты переключения реле UPS (именно в него я собираюсь встроить эти часы), и стабилизатор 78L05, так как в моём бесперебойнике нет напряжения 5в (вся логика в нём питается от 12в). А что? Как-то слишком просто смотрелся UPS, а тепер будет время показывать и ещё и помогать мыслить двоичным кодом, что не даст мозгу атрофироваться.

Надеюсь все знают как переводить числа из десятеричных в двоичные? На всякий случай повторю. Четырьмя битами можно передать число от 1 до 15, цена битов считается справа налево, т.е так 8_4_2_1, как видно, цена более старщего бита равна удвоеной цене более младшего. Пример: переведём 5 из десятичной системы исчисления в двоичную, получится 0_1_0_1, т.е складываем цену битов равных логической еденице. А теперь наоборот 1_0_0_1 будет 8+1=9. Усвоили? Отлично.

В данных часах светящийся светодиод означает еденицу, а не светящийся - ноль. К статье прилагаю фото повторённого мной устройства.

Небольшое полминутное видео работы часов

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.