Часы со светодиодной подсветкой и пульсирующей минутной стрелкой на микроконтроллере Arduino
Эти уникальные часы со светодиодной подсветкой и пульсирующей минутной стрелкой удалось изготовить благодаря использованию микросхемы ШИМ-контроллера TLC5940. Его главной задачей является расширить количество контактов с ШИМ-модуляцией. Еще одной особенностью данных часов является переделанный аналоговый вольтметр в прибор измеряющий минуты. Для этого на стандартном принтере была распечатана новая шкала и наклеена поверх старой. Как таковая, 5-я минута не отсчитывается, просто в течение пятой минуты счетчик времени показывает стрелку, упершуюся в конец шкалы (зашкаливает). Основное управление реализовано на микроконтроллере Arduino Uno.

Для того чтобы подсветка часов не светилась слишком ярко в темной комнате, была реализована схема автоматической подстройки яркости в зависимости от освещенности (использовался фоторезистор).

Шаг 1: Необходимые компоненты

Вот что потребуется:

• Модуль аналогового вольтметра на 5V DC;
• Микроконтроллер Arduino UNO или другой подходящий Arduino;
• Монтажная плата Arduino (прото плата);
• Модуль часов реального времени DS1307 (RTC);
• Модуль с ШИМ-контроллером TLC5940;
• Лепестковые светодиоды подсветки – 12 шт.;
• Компоненты для сборки схемы автоматического регулирования яркости (LDR).

Также, для изготовления некоторых других компонентов проекта желательно иметь доступ к 3D-принтеру и станку лазерной резки. Предполагается, что этот доступ у вас есть, поэтому в инструкции на соответствующих этапах будут прилагаться чертежи для изготовления.

Шаг 2: Циферблат

Циферблат состоит из трех деталей (слоев) вырезанных на станке лазерной резки из 3 мм листа МДФ, которые скрепляются между собой с помощью болтов. Пластина без прорезей (внизу справа на картинке) помещается под другой пластиной для позиционирования светодиодов (внизу слева). Затем, отдельные светодиоды помещаются в соответствующие пазы, и сверху одевается лицевая панель (сверху на рисунке). По краю циферблата просверлены четыре отверстия, через которые все три детали скрепляются вместе с помощью болтов.

• Для проверки работоспособности светодиодов на этом этапе, использовалась плоская батарейка CR2032;
• Для фиксации светодиодов использовались небольшие полоски липкой ленты, которые приклеивались с задней стороны светодиодов;
• Все ножки светодиодов были предварительно согнуты соответствующим образом;
• Отверстия по краям были просверлены заново, через которые и выполнялось скрепление болтами. Оказалось, что это намного удобнее.

Технический чертеж деталей для циферблата доступен по :

Шаг 3: Разработка схемы

На этом этапе была разработана электрическая схема. Для этого использовались различные учебники и руководства. Не будем сильно углубляться в этот процесс, в двух файлах ниже представлена готовая электрическая схема, которая была использована в этом проекте.

Шаг 4: Подключение монтажной платы Arduino

1. Первым делом надо распаять все игольчатые контакты на монтажных и секционных платах;
2. Далее, ввиду того, что питание 5V и GND используют очень много плат и периферийных устройств, для надежности, было припаяно по два провода на 5V и GND на монтажной плате;
3. Далее был установлен ШИМ-контроллер TLC5940 рядом с используемыми контактами;
4. После выполняется подключение контроллера TLC5940, согласно схеме подключения;
5. Для того чтобы была возможность использовать батарею, был установлен модуль RTC на краю монтажной платы. Если припаять его посередине платы, то не будет видно обозначение контактов;
6. Выполнено подключение модуля RTC, согласно схеме подключения;
7. Собрана схема автоматического контроля яркости (LDR), ознакомиться можно по ссылке
8. Выполнено подключение проводов для вольтметра, путем подключения проводов к выводу 6 и GND.
9. В конце были припаяны 13 проводов для светодиодов (На практике оказалось, что это было лучше сделать до того, как приступать к шагу 3).

Шаг 5: Программный код

Программный код, приложенный ниже, был собран из различных кусков для компонентов часов, найденных в интернете. Он был полностью отлажен и в настоящее время полностью работоспособен, к тому же были добавлены довольно подробные комментарии. Но перед загрузкой в микроконтроллер учтите следующие пункты:

• Перед прошивкой Arduino, нужно раскомментировать строку, которая устанавливает время:
  rtc.adjust(DateTime(__DATE__, __TIME__))
  После прошивки контроллера с этой строкой (время задано), нужно опять ее закомментировать и прошить контроллер заново. Это позволяет модулю RTC использовать батарею, для запоминания времени, если пропадет основное питание.
• Каждый раз, когда вы используете "Tlc.set ()", вам нужно использовать "Tlc.update"

Шаг 6: Внешнее кольцо

Внешнее кольцо для часов было напечатано на 3D-принтере Replicator Z18. Оно прикрепляется к часам с помощью винтов на лицевой стороне часов. Ниже прилагается файл с 3D-моделью кольца для печати на 3D-принтере.

Шаг 7: Сборка часов

Микроконтроллер Arduino со всей остальной электроникой был закреплен на задней стороне часов с помощью саморезов и гаек в качестве распорок. Затем подключены все светодиоды, аналоговый вольтметр и LDR к проводам, которые ранее были подпаяны к монтажной плате. Все светодиоды соединены между собой одной ножкой и подключены к контакту VCC на контроллере TLC5940 (по кругу просто припаян кусок проволоки).

Пока все это не очень хорошо изолировано от коротких замыканий, но работа над этим будет продолжена в следующих версиях.

На фото прототип, собранный мной для отладки программы, которая будет управлять всем этим хозяйством. Вторая arduino nano в верхнем правом углу макетки не относится к проекту и торчит там просто так, внимание на нее можно не обращать.

Немного о принципе работы: ардуино берет данные у таймера DS323, перерабатывает их, определяет уровень освещенности с помощью фоторезистора, затем все посылает на MAX7219, а она в свою очередь зажигает нужные сегменты с нужной яркостью. Так же с помощью трех кнопок можно выставить год, месяц, день, и время по желанию. На фото индикаторы отображают время и температуру, которая взята с цифрового термодатчика

Основная сложность в моем случае - это то, что 2.7 дюймовые индикаторы с общим анодом, и их надо было во первых как то подружить с max7219, которая заточена под индикаторы с общим катодом, а во вторых решить проблему с их питанием, так как им нужно 7,2 вольта для свечения, чего одна max7219 обеспечить не может. Попросив помощи на одном форуме я получил таки ответ.

Решение на скриншоте:


К выходам сегментов из max7219 цепляется микросхемка , которая инвертирует сигнал, а к каждому выводу, который должен подключаться к общему катоду дисплея цепляется схемка из трех транзисторов, которые так же инвертируют его сигнал и повышают напряжение. Таким образом мы получаем возможность подключить к max7219 дисплеи с общим анодом и напряжением питания более 5 вольт

Для теста подключил один индикатор, все работает, ничего не дымит

Начинаем собирать.

Схему решил разделить на 2 части из-за огромного количества перемычек в разведенном моими кривыми лапками варианте, где все было на одной плате. Часы будут состоять из блока дисплея и блока питания и управления. Последний было решено собрать первым. Эстетов и бывалых радиолюбителей прошу не падать в обморок из-за жестокого обращения с деталями. Покупать принтер ради ЛУТа нет никакого желания, поэтому делаю по старинке - тренируюсь на бумажке, сверлю отверстия по шаблону, рисую маркером дорожки, затем травлю.

Принцип крепления индикаторов оставил тот же, как и на .

Размечаем положение индикаторов и компонентов, с помощью шаблона из оргстекла, сделанного для удобства.

Процесс разметки

Затем с помощью шаблона сверлим отверстия в нужных местах и примеряем все компоненты. Все встало безупречно.

Рисуем дорожки и травим.

купание в хлорном железе

Готово!
плата управления:


плата индикации:

Плата управления получилась отлично, на плате индикации не критично сожрало дорожку, это поправимо, настало время паять. В этот раз я лишился SMD-девственности, и включил 0805 компоненты в схему. Худо-бедно первые резисторы и конденсаторы были припаяны на места. Думаю дальше набью руку, будет легче.
Для пайки использовал флюс, который купил . Паять с ним одно удовольствие, спиртоканифоль использую теперь только для лужения.

Вот готовые платы. На плате управления имеется посадочное место для ардуино нано, часов, а так же выходы для подключения к плате дисплея и датчики (фоторезистор для автояркости и цифровой термометр ds18s20) и блок питания на с регулировкой выходного напряжения (для больших семисегментников) и для питания часов и ардуино, на плате индикации находятся посадочные гнезда для дисплеев, панельки для max2719 и uln2003a, решение для питания четырех больших семисегментников и куча перемычек.

плата управления сзади

Плата индикации сзади:

Ужасный монтаж смд:

Запуск

После припаивания всех шлейфов, кнопок и датчиков пришло время все это включить. Первый запуск выявил несколько проблем. Не светился последний большой индикатор, а остальные светились тускло. С первой проблемой расправился пропаиванием ножки смд-транзистора, со второй - регулировкой напряжения, выдаваемого lm317.
ОНО ЖИВОЕ!

Часы со светодиодным семисегментным индикатором на микросхеме К145ИК1911

История этих часов появления на сайте немного иная, от других схем на сайте.

Обычный выходной, захожу на почту,роюсь, и на хожу наш читатель Федоренко Евгений, прислал схему часов,с описанием и со всеми фотографиями.

Кратко о схеме.Это схема электронных часов своими руками выполненная на микросхеме К145ИК1911 , и время выводится на семи сегментные светодиодные индикаторы.И так его статья.Смотрим все.

Схема часов:

Для увеличения снимка, его просто стоит увеличить нажатием.И сохранить компьютер.

Не так давно передо мной встала задача – либо купить новые часы, либо собрать новые самостоятельно. Требования к часам выдвигались простые – на дисплее должны отображаться часы и минуты, должен быть будильник, причём, в качестве устройства отображения должны использоваться светодиодные семисегментные индикаторы. Не хотелось нагромождать кучу логических микросхем, а с программированием контроллеров связываться не было желания. Выбор остановил на разработке советской электронной промышленности – микросхеме К145ИК1901 .

В магазине на тот момент её не оказалось, но был аналог, в 40 выводном корпусе – К145ИК1911. Наименование выводов данной микросхемы ничем не отличается от предыдущей, различие – в нумерации.

Минусом этих микросхем является то, что они работают только с вакуумными люминесцентными индикаторами. Для обеспечения стыковки со светодиодным индикатором потребовалось построить схему согласования на полупроводниковых ключах.

В качестве драйверов строк – J1-J7 можно применить транзисторы КТ3107 с буквенным индексом И, А, Б. Для драйверов выбора сегментов D1-D4 пойдут КТ3102И, либо КТ3117А, КТ660А, а также любые другие с максимальным напряжением коллектор-эмиттер не менее 35 В и током коллектора не менее 100 мА. Ток сегментов индикаторов регулируется резисторами в коллекторных цепях драйверов строк.

Для разделения разрядов часов и минут используется точка, мигающая с частотой 1 Гц.

Эта частота присутствует на выводе микросхемы Y4, после того, как начался отсчёт времени. В данной схеме также предусмотрена возможность отображения на дисплее вместо часов и минут – минут и секунд соответственно. Переход в данный режим осуществляется нажатием на кнопку «Сек.». Возврат к индикации времени часов и минут осуществляется после нажатия кнопки «Возврат». Данная микросхема обеспечивает возможность установки двух будильников одновременно, но в данной схеме второй будильник не используется за ненадобностью. В качестве звукоизлучателя использована пьезо-пищалка со встроенным генератором, с напряжением питания 12В. Сигнал включения будильника снимается с вывода Y5 микросхемы. Для обеспечения прерывистого звучания, сигнал модулируется частотой 1 Гц, используемой для индикации секундного ритма (точки). Для более подробного изучения функционала микросхемы К145ИК1901(11) можно обратиться к документации, которую в последнее время можно без труда найти в сети. Питание микросхемы должно осуществляться отрицательным напряжением -­27В±10%. Согласно проведённым экспериментам, микросхема сохраняет работоспособность даже при напряжении -19В, причём точность хода часов при этом ничуть не пострадала.

Схема часов приведена на рисунке выше. В схеме были применены чип-резисторы типоразмера 1206, что позволяет существенно уменьшить габариты устройства. В качестве семисегментных индикаторов подойдут любые, с общим анодом.

Ну вот кончилась статься на данный момент.Которая будет еще дорабатываться и пополняться.А я выражаю благодарность ее автору-Федоренко Евгений,по всем вопросам а так же дать его почту.Пишите на Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

20 августа 2015 в 12:34

Самодельные электронные часы, элементная база - часть 1, измерение времени

• DIY или Сделай сам

Наверное, каждый гик, увлекающийся самодельной электроникой, рано или поздно приходит к идее сделать свои, уникальные, часы. Идея вполне неплоха, разберемся как и на чем их лучше сделать. В качестве отправной точки будем считать, что человек умеет программировать микроконтроллеры, понимает как переслать 2 байта по i2c или serial-порту, и может спаять вместе несколько проводов. В принципе, этого достаточно.

Понятно, что ключевая функция часов - измерение времени (кто бы подумал, да?). И делать это желательно максимально точно, здесь есть несколько вариантов и подводных камней.

Итак, какие доступные в «железе» способы измерения времени мы можем использовать?

Встроенный RC-генератор процессора

Самая простая идея, которая может придти в голову - это просто настроить программный таймер, и им отсчитывать секунды. Так вот, эта идея никуда не годится. Часы-то работать конечно будут, только вот точность встроенного генератора никак не регламентируется, и может «плавать» в пределах 10% от номинала. Вряд ли кому-то нужны часы, уходящие в месяц на 15 минут.

Модуль реального времени DS1307

Более правильный вариант, он же использующийся в большинстве «народных» изделий - это часы реального времени. Микросхема обменивается с микроконтроллером по I2C, требует минимума обвязки (кварц и пара резисторов). Цена вопроса около 100р за микросхему, или около 1$ на ебее за готовую плату с микросхемой, модулем памяти и разъемом для батарейки.

Схема из даташита:

Что не менее важно, микросхема выпускается в DIP-корпусе, значит припаять ее может любой начинающий радиолюбитель. Встроенная батарейка обеспечивает работу часов, даже если питание было отключено.

Казалось бы, все хорошо, если бы не одна проблема - невысокая точность. Примерная точность часовых кварцев - 20-30ppm. Обозначение ppm - parts per million, показывает число миллионных долей. Казалось бы, 20миллионных - это супер, однако для частоты в 32768Гц получается 20*32768/1000000 = ±0,65536Гц, т.е. уже полгерца. Путем несложных подсчетов видно, что генератор с такой разницей за сутки «натикает» лишних (или недостающих) 56тыс тактов, что соответствует 2 секундам в день. Кварцы бывают разные, некоторые пользователи писали и об ошибке в 5 секунд в день. Как-то не очень точно - за месяц такие часы уйдут как минимум, на минуту. Это уже приличная разница, заметная невооруженным глазом (когда любимый сериал бабушки начинается в 11.00, а часы показывают 11.05, разработчику таких часов перед родственниками будет неудобно).

Впрочем, поскольку температура в помещении более-менее стабильна, и частота кварца не будет сильно меняться, можно добавить программную коррекцию. Другой совет, даваемый на форумах, использовать часовой кварц от старых материнских плат, по отзывам, они там довольно точные.

Модуль реального времени DS3231

Мы не первые, кто задался вопросом точности, и компания Dallas пойдя навстречу пожеланиям, выпустила более совершенный модуль - DS3231. Он называется «Extremely Accurate Real Time Clock», имеет встроенный генератор с температурной коррекцией. Точность в 10 раз выше, и составляет 2ppm. Цена вопроса чуть повыше, но корпус микросхемы рассчитан под SMD-монтаж, паять не так удобно, зато можно купить на ебее готовую плату.

(фото с сайта продавца)

Точность в 6 секунд в месяц, это уже неплохой результат. Но мы пойдем дальше - в идеале, часы в 21 веке вообще не нужно подстраивать.

Радиомодуль DCF-77

Метод скорее экзотический, но для полноты картины его нельзя не упомянуть. Немногие знают, но сигналы точного времени передаются по радио еще с 70х годов. Передатчик DCF-77 расположен в Германии недалеко от Франкфурта, и на СДВ-частоте 77.5КГц передаются метки точного времени (да, у них уже 20 лет назад были настенные и настольные часы, которые не надо подстраивать).

Способ хорош тем, что схема имеет малое энергопотребление, так что сейчас производятся даже наручные часы с такой технологией. Готовую плату приема DCF-77 можно купить на ebay, цена вопроса 20$.

Многие часы и метеостанции имеют возможность приема DCF-77, проблема лишь в том, что до России сигнал практически не доходит. Карта покрытия с Википедии:

Как можно видеть, лишь Москва и Питер находятся на границе зоны приема. По отзывам владельцев, лишь иногда сигнал удается принять, что для практического применения конечно, не годится.

GPS-модуль

Если часы будут стоять недалеко от окна, то вполне реальный метод получения точного времени - GPS-модуль. Эти модули можно недорого купить на ebay (цена вопроса 10-15$). Например, Ublox NEO-6M, подключается напрямую к serial-пинам процессора, и выдает строки NMEA на скорости 9600.

Данные приходят примерно в таком формате " $GPRMC,040302.663,A,3939.7,N,10506.6,W,0.27,358.86,200804,*1A", и распарсить их даже для слабой Arduino труда не составляет. Патриоты кстати, могут приобрести более дорогой модуль Ublox NEO-7N, поддерживающий (по отзывам) как GPS так и «Глонасс».

Очевидно, что про разные часовые пояса GPS-модуль ничего не знает, так что их вычисление и смену летнего/зимнего времени, разработчику придется продумать самому. Другой минус использования GPS - относительно высокое энергопотребление (впрочем, некоторые модули можно отдельными командами переводить в «спящий режим»).

Wi-Fi

И наконец, последний (и самый очевидный на сегодняшний момент), способ получения точного времени - это брать его из Интернета. Здесь есть два подхода. Первый, и наиболее простой - использовать в качестве платы часов что-то типа Raspberry PI с Линуксом, тогда делать ничего не надо, все будет работать «из коробки». Если же хочется «экзотики» - то самым интересным вариантом является модуль esp8266.

Это недорогой (цена вопроса около 200р на ebay) WiFi-модуль может обмениваться с сервером по serial-порту процессора, при желании его можно также перепрошить (сторонних прошивок довольно много), и часть логики (например опрос сервера времени) сделать в самом модуле. Сторонними прошивками поддерживается куча всего, от Lua до C++, так что вариантов «размять мозги» вполне достаточно.

На этом тему измерения времени наверно можно закрыть. В следующей части мы поподробнее рассмотрим процессоры, и способы вывода времени.

Предлагаю для повторения схему простых электронных часов с будильником, выполненные на типа PIC16F628A. Большим плюсом данных часов является светодиодный индикатор типа АЛС, для отображения времени. Лично мне порядком надоели всевозможные ЖКИ и хочется иметь возможность видеть время из любой точки комнаты в том числе в темноте, а не только прямо с хорошим освещением. Схема содержит минимум деталей и имеет отличную повторяемость. Часы испытаны на протяжении месяца, что показало их надежность и работоспособность. Думаю из всех схем в интернете, эта наиболее простая в сборке и запуске.

Принципиальная схема электронных часов с будильником на микроконтроллере:

Как видно из схемы часов, является единственной микросхемой, используемой в данном устройстве. Для задания тактовой частоты используется кварцевый резонатор на 4 МГц. Для отображения времени использованы индикаторы красного цвета с общим анодом, каждый индикатор состоит из двух цифр с десятичными точками. В случае использования пьезоизлучателя, конденсатор С1 - 100мкФ можно не ставить.

Можно применить любые индикаторы с общим анодом, лишь бы каждая цифра имела собственный анод. Чтоб электронные часы были хорошо видны в темноте и с большой дистанции - старайтесь выбрать АЛС-ки чем покрупнее.

Индикация в часах осуществляется динамически. В данный конкретный момент времени отображается лишь одна цифра, что позволяет значительно снизить потребление тока. Аноды каждой цифры управляются микроконтроллером PIC16F628A. Сегменты всех четырех цифр соединены вместе и через токоограничивающие резисторы R1 … R8 подключены к выводам порта МК. Поскольку засвечивание индикатора происходит очень быстро, мерцание цифр становится незаметным.

Для настройки минут, часов и будильника - используются кнопки без фиксации. В качестве выхода для сигнала будильника используется вывод 10, а в качестве усилителя - каскад на транзисторах VT1,2. Звукоизлучателем является пьезоэлемент типа ЗП. Для улучшения громкости вместо него можно поставить небольшой динамик.

Питаются часы от стабилизированного источника напряжением 5В. Можно и от батареек. В часах реализовано 9 режимов индикации. Переход по режимам осуществляется кнопками "+" и "-". Перед выводом на индикацию самих показаний, на индикаторы выводится короткая подсказка названия режима. Длительность вывода подсказки - одна секунда.

Кнопкой "Коррекция" часы - будильник переводятся в режим настроек. При этом кратковременная подсказка выводится на пол секунды, после чего корректируемое значение начинает мигать. Коррекция показаний осуществляется кнопками "+" и "-". При длительном нажатии на кнопку, включается режим автоповтора, с заданной частотой. Все значения, кроме часов, минут и секунд, записываются в EEPROM и восстанавливаются после выключения - включении питания.

Если в течение нескольких секунд ни одна из кнопок не нажата, то электронные часы переходят в режим отображения времени. Нажатием на кнопку "Вкл/Выкл" включается или выключается будильник, это действие подтверждается коротким звуком. При включенном будильнике светится точка в младшем разряде индикатора. Думал куда бы пристроить часы на кухне, и решил вмонтировать их прямо в газовую плиту:) Материал прислал in_sane.

Обсудить статью ЭЛЕКТРОННЫЕ ЧАСЫ БУДИЛЬНИК