Как самому сделать электронные часы в ретро стиле

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2017

Čestmír Hýbl

elbastl.sweb.cz

Введение

Не так давно я копался в коробке со старыми компонентами. Я искал что-то другое, но остановился, когда в руки попалось несколько газоразрядных индикаторов. Однажды (давно, очень давно) я добыл их из старого калькулятора.

Вспоминаю… Тридцать лет назад шесть индикаторов были маленьким сокровищем. Тот, кто мог тогда сделать с такими индикаторами часы на ТТЛ логике, считался искушенным знатоком своего дела.

Свечение газоразрядных индикаторов казалось более теплым. Через несколько минут мне стало интересно, заработают ли эти старые лампы, и захотелось что-нибудь сделать на них. Теперь-то сделать такие часы очень просто. Достаточно взять микроконтроллер…

Поскольку тогда же я увлекался программированием микроконтроллеров на языках высокого уровня, я решил немного поиграть. Я попытался сконструировать простые часы на цифровых газоразрядных индикаторах.

Цель конструирования

Я решил, что часы должны иметь шесть цифр, а время должно устанавливаться минимальным количеством кнопок. Кроме того, я хотел попытаться использовать несколько наиболее распространенных семейств микроконтроллеров разных производителей. Программу я намеревался писать на языке C.

Газоразрядным индикаторам для работы требуется высокое напряжение. Но иметь дело с опасным сетевым напряжением я не хотел. Часы должны были питаться безвредным напряжением 12 В.

Поскольку основной моей целью была игра, вы не найдете здесь описания механической конструкции и чертежей корпуса. При желании, вы сами сможете изменить часы в соответствии со своими вкусами и опытом.

Вот что у меня получилось:

• Индикация времени: ЧЧ ММ СС
• Индикация будильника: ЧЧ ММ --
• Режим отображения времени: 24 часа
• Точность ±1 секунда в день (зависит от кварцевого резонатора)
• Напряжении питания: 12 В
• Потребляемый ток: 100 мА

Схема часов

Для устройства с шестиразрядным цифровым дисплеем естественным решением был мультиплексный режим.

Назначение большинства элементов блок-схемы (Рисунок 1) понятно без комментариев. В определенной степени нестандартной задачей было создание преобразователя уровней ТТЛ в высоковольтные сигналы управления индикаторами. Драйверы анодов сделаны на высоковольтных NPN и PNP транзисторах. Схема позаимствована у Стефана Кнеллера (http://www.stefankneller.de).

Рисунок 1.

ТТЛ микросхема 74141 содержит двоично-десятичный дешифратор и высоковольтный драйвер для каждой цифры. Возможно, заказать одну микросхему будет сложно. (Хотя я не знаю, производятся ли они вообще кем-либо сейчас). Но уж если вы нашли газоразрядные индикаторы, 74141 могут оказаться где-то рядом :-). Во времена ТТЛ логики альтернативы микросхеме 74141 практически не было. Так что попробуйте найти где-нибудь одну штуку¹⁾.

Индикаторам требуется напряжение порядка 170 В. Разрабатывать специальную схему для преобразователя напряжения не имеет смысла, поскольку существует огромное количество микросхем повышающих преобразователей. Я выбрал недорогую и широко доступную микросхему MC34063. Схема преобразователя почти полностью скопирована с технического описания MC34063. К ней лишь добавлен силовой ключ T13. Внутренний ключ для такого высокого напряжения не подходит. В качестве индуктивности для преобразователя я использовал дроссель. Он показан на Рисунке 2; его диаметр 8 мм, а длина 10 мм.

Рисунок 2.

КПД преобразователя вполне хороший, а выходное напряжение относительно безопасно. При токе нагрузки 5 мА выходное напряжение падает до 60 В. R32 выполняет функцию токоизмерительного резистора.

Для питания логики используется линейный регулятор U4. На схеме и на плате есть место для резервного аккумулятора. (3.6 В – NiMH или NiCd). D7 и D8 – это диоды Шоттки, а резистор R37 предназначен для ограничения зарядного тока в соответствии с характеристиками аккумулятора. Если вы собираете часы просто для развлечения, аккумулятор, D7, D8 и R37 вам не потребуются.

Окончательная схема показана на Рисунке 3.

Рисунок 3.

Кнопки установки времени подключены через диоды. Состояние кнопок проверяется установкой логической «1» на соответствующем выходе. В качестве бонусной функции к выходу микроконтроллера подключен пьезоизлучатель. Чтобы заткнуть этот противный писк, используйте маленький выключатель. Для этого вполне подошел бы и молоток, но это уж на крайний случай :-).

Перечень компонентов схемы, рисунок печатной платы и схему размещения элементов можно найти в разделе «Загрузки».

Процессор

Управлять эти несложным устройством может практически любой микроконтроллер с достаточным количеством выводов, минимально необходимое количество которых указано в Таблице 1.

Таблица 1.

Функция Выводы Питание 2 Кварцевый резонатор 2 Управление анодами 6 Драйвер 74141 4 Вход кнопок 1 Пьезоизлучатель 1 Всего 16

Каждый изготовитель разрабатывает собственные семейства и типы микроконтроллеров. Расположение выводов индивидуально для каждого типа. Я постарался сконструировать универсальную плату для нескольких типов микроконтроллеров. На плате установлена 20-контактная панелька. С помощью нескольких проволочных перемычек вы можете адаптировать ее для разных микроконтроллеров.

Ниже перечислены микроконтроллеры, проверенные в этой схеме. Вы можете поэкспериментировать с другими типами. Преимуществом схемы является возможность использования разных процессоров. Радиолюбители, как правило, используют одно семейство микроконтроллеров и имеют соответствующий программатор и программный инструментарий. С микроконтроллерами других изготовителей могут возникнуть проблемы, поэтому я дал вам возможность выбора процессора из любимого семейства.

Вся специфика включения различных микроконтроллеров отражена в Таблицах 2…5 и на Рисунках 4…7.

Рисунок 4.

Таблица 2.

Freescale   Тип MC68HC908QY1 Кварцевый резонатор 12 МГц Конденсаторы C1, C2 22 пФ Программа freescale.zip (см. раздел «Загрузки») Установки —

Примечание: Параллельно кварцевому резонатору включен резистор 10 МОм.

Рисунок 5.

Таблица 3.

Microchip   Тип PIC16F628A Кварцевый резонатор 32.768 кГц Конденсаторы C1, C2 22 пФ Программа pic628.zip (см. раздел «Загрузки») Установки Внутр. генератор 4 МГц – I/O RA6, MCLR OFF, WDT OFF, LVP OFF, BROUT OFF, CP OFF, PWRUP OFF

Примечание: Микросхему необходимо развернуть в панельке на 180°.

Рисунок 6.

Таблица 4.

Atmel   Тип ATtiny2313 Кварцевый резонатор 12 МГц Конденсаторы C1, C2 15 пФ Программа attiny.zip (см. раздел «Загрузки») Установки Кв. генератор 8 МГц, RESET ON

Примечание: Добавьте SMD компоненты R и C к выводу RESET (10 кОм и 100 нФ).

Рисунок 7.

Таблица 5.

Atmel   Тип AT89C2051 Кварцевый резонатор 12 MHz Конденсаторы C1, C2 22 пФ Программа at2051.zip (см. раздел «Загрузки») Установки --

Примечание: Добавьте SMD компоненты R и C к выводу RESET (10 кОм и 100 нФ); выводы, отмеченные звездочками, соедините с шиной питания +Ub через SMD резисторы 3.3 кОм.

Сравнив коды для разных микроконтроллеров, вы увидите, что они очень похожи. Различия имеются в доступе к портам и определению функций прерываний, а также в том, что зависит от компонентов обвязки.

Исходный код состоит из двух секций. Функция main() настраивает порты и запускает таймер, формирующий сигналы прерывания. После этого программа сканирует нажатые кнопки и устанавливает соответствующие значения времени и будильника. Там же в главном цикле текущее время сравнивается с будильником и включается пьезоизлучатель.

Вторая часть является подпрограммой обработки прерываний от таймера. Подпрограмма, которая вызывается через каждую миллисекунду (в зависимости от возможностей таймера), инкрементирует переменные времени и управляет цифрами дисплея. Кроме того, проверяется состояние кнопок.

Запуск схемы

Монтаж компонентов и настройку начинайте с источника питания. Запаяйте регулятор U4 и окружавшие его компоненты. Проверьте наличие напряжения 5 В для микросхемы U2 и 4.6 В для U1. Следующим шагом соберите высоковольтный преобразователь. Подстроечным резистором R36 установите напряжение 170 В. Если диапазона подстройки окажется недостаточно, немного измените сопротивление резистора R33. Теперь установите микросхему U2, транзисторы и резисторы схемы драйверов анодов и цифр. Соедините входы U2 с шиной GND и последовательно подключайте по одному из резисторов R25 - R30 к шине питания +Ub. В соответствующих позициях должны зажигаться цифры индикаторов. На последнем этапе проверки схемы соедините с землей вывод 19 микросхемы U1 – должен запищать пьезоизлучатель.

Исходные коды и откомпилированные программы вы найдете в соответствующем ZIP файле в разделе «Загрузки». После зашивки программы в микроконтроллер тщательно проверьте каждый вывод в позиции U1 и установите необходимые перемычки из проволоки и припоя. Сверяйтесь с изображениями микроконтроллеров, приведенными выше. Если микроконтроллер запрограммирован и подключен правильно, должен заработать его генератор. Вы можете установить время и будильник. Внимание! На плате есть место для еще одной кнопки – это запасная кнопка для будущих расширений :-).

Проверьте точность частоты генератора. Если она не укладывается в ожидаемый диапазон, слегка измените номиналы конденсаторов C1 и C2. (Припаяйте параллельно конденсаторы небольшой емкости или замените их другими). Точность хода часов должна улучшиться.

Заключение

Небольшие 8-битные процессоры вполне приспособлены для языков высокого уровня. Изначально язык C не предназначался для небольших микроконтроллеров, однако для простых приложений вы прекрасно можете использовать его. Ассемблер лучше подойдет для сложных задач, требующих соблюдения критических времен или максимальной загрузки процессора. Для большинства радиолюбителей подойдут как бесплатные, так и условно-бесплатные ограниченные версии компилятора C.

Программирование на C одинаково для всех микроконтроллеров. Вы должны знать функции аппаратных средств (регистров и периферии) выбранного типа микроконтроллера. Будьте осторожны с битовыми операциями – язык C к манипуляциям с отдельными битами не приспособлен, что можно увидеть на примере исходного когда для ATtiny.

Закончили? Тогда настройтесь на созерцание вакуумных ламп и смотрите…

…возвращаются старые времена … :-)

---

Примечание редакции

---

Загрузки

Материалы по теме