Годинник на великих світлодіодних індикаторах

Годинник побудований на семиелементних світлодіодних індикаторах з висотою цифр 57 мм, причому їх яскравість автоматично змінюється залежно від рівня зовнішньої освітленості.

Існує безліч конструкцій цифрового годинника, зібраного як на мікросхемах малої і середньої міри інтеграції, так і на мікроконтроллерах. Багато хто з них оснащений будильниками календарями, таймерами і іншими корисними додатковими функціями. Проте у більшості випадків застосовані світлодіодні індикатори з висотою знаку 12..14 мм. Це дає можливість живити увесь пристрій від одного джерела(напругою, як правило, 5 В), але не дозволяє упевнено розглянути показання годинників з відстані більше 2...3 м. У тих, що випускаються промисловістю світлодіодних семиелементних індикаторах зі знаками великого розміру для підсвічування кожного елементу встановлено по декілька світлодіодів, включених послідовно, мікросхеми, що ускладнює схему вузла індикації. Іноді збирають великі індикатори з одиничних світлодіодів, але і в цих випадках використовують лише низьковольтне живлення. Застосовані в пропонованому годиннику індикатори NFD - 23011BS містять по чотири послідовно сполучених світлодіода на елемент при сумарній прямій напрузі на них близько 8 В. З урахуванням неминучого падіння напруги на струмообмежених резисторах і транзисторах, що управляють, їм потрібне джерело живлення напругою не менше 10 В. Облаштування управління індикаторами, що вимагають підвищеної напруги, найчастіше будують на дискретних транзисторах. Але для цієї цілі випускаються і спеціалізовані мікросхеми, що дозволяють помітно зменшити число компонентів вузла індикації. Але щоб зменшити перешкоди прийому сигналів точного часу, в цьому годиннику використана статична індикація, що збільшує число мікросхем управління індикаторами до чотирьох і істотно підвищує споживаний струм. У годиннику, за допомогою мікросхем TLC59210 і TLC59213 реалізовано динамічне виведення інформації на великий світлодіодний індикатор. Обидві мікросхеми схожі по структурі і є восьми розрядні тригерні регістри з вихідними підсилювачами.

Рисунок 1. Схема годинника на великих світлових індикаторах

Код, поданий на інформаційні входи регістра, записується у нього і з'являється на виходах по наростаючому перепаду рівня на тактовому вході.

Мікросхема TLC59213 працює від джерела живлення напругою 4,5... 13,2 В, проте у будь-якому випадку її входи сприймають сигнали напругою 2 В і більше, як що мають високий, а напругою менше 0,8 В – низький логічний рівень. Цим забезпечена сумісність із стандартними мікросхемами структур ТТЛ і КМОН.

Виходи цієї мікросхеми виконані за схемою "з відкритим емітером". Високий рівень вихідної напруги приблизно на 2 В менше напруги живлення при струмі навантаження виходу не більше 400 мА. Цим же значенням обмежений максимально допустимий сумарний витікаючий струм усіх виходів. Стандартне використання мікросхеми TLC59213 - комутація анодних ланцюгів світлодіодних індикаторів, у тому числі що вимагають підвищеної напруги живлення. Виходи мікросхеми TLC59210 - інверсні і виконані за схемою "з відкритим стоком". До них підключають катоди світлодіодних індикаторів. Напруга живлення цієї мікросхеми - 3...5 В, максимальний падаючий струм кожного виходу при напрузі живлення 3,3 В - 100 мА. Ясно, що застосування великих індикаторів має на увазі, що показання годинників читатимуть зі значної відстані. Ця обставина фактично позбавляє сенсу оснащення годинника додатковими функціями, що вимагають оперативної ручної зміни режиму їх роботи. У нашому випадку з таких функцій залишена лише установка часу. Яскравість індикаторів, проте, необхідно регулювати знижуючи її в темний час доби. Інакше великі індикатори, яскравість яких вибрана виходячи з необхідності добре бачити їх свідчення при денному світлі, неприємно "ріжуть очі" у сутінках.

Схема годинника зображена на мал. 1. Усіма їх вузлами управляє 16-розрядний мікроконтроллер сімейства MSP430(DD2). Він працює від внутрішнього RC- генератора частотою 1 Мгц. Кварцевим резонатором ZQ1 на 32768 Гц стабілізована частота задаючого генератора внутрішнього таймера мікроконтроллера, що зменшує вплив температури і інших дестабілізуючих чинників на точність формованих за допомогою цього таймера інтервалів часу. Кнопками SB1 і SB2 коригують показання годинників, встановлюючи ними відповідно хвилини і годинник точного часу. Роз'єм XS1 призначений як для первинного програмування мікроконтроллера DD2 через інтерфейс JTAG, так і для його перепрограмування при можливому доопрацюванні. Програмування робилося за допомогою USB- програматора MSP - FET430UIF.

Для стикування його десятиконтактного JTAG- роз'єму з малогабаритним семиконтактним роз'ємом XS1 був виготовлений спеціальний перехідник. Відлік поточного часу, щоб він не уривався при відключенні основного

джерела живлення годинника, ведеться за допомогою спеціалізованої мікросхеми годинника реального часу DS1337C (DD4), CR2032(G1), що живиться від літієвого елементу. Ця мікросхема містить власний кварцевий генератор на частоту 32768 Гц. Вона пов'язана з мікроконтроллером по інтерфейсу 12C з резистором навантаження R8 на лінії SDA. Між порівняно рідкісними і короткими зверненнями до неї мікроконтроллера DD2 мікросхема

DD4 споживає від елементу живлення струм менше мікроампера. Датчиком рівня зовнішньої освітленості годинника служить фото резистором R1 діаметром 6 мм, опором близько 100 Ом при яскравому сонячному світлі і

близько 500 кОм в темряві. Напруга, що поступає з дільника напруги, утвореної фоторезистором і резистором R2 через фільтр R3C5 на вхід 12-розрядного АЦП ADC121C027(DD1) тим вище, чим більше освітленості фоторезистора. АЦП підключений до мікроконтролера по тому ж інтерфейсу l2C, що і мікросхема годинника реального часу. Ці пристрої програма розрізняє по присвоєних їм адресах веденого: 1010001 - АЦП, 1101000 - годинник. Як показали експерименти, значення декількох молодших розрядів вихідного коду АЦП непостійні навіть при малопомітному на освітленні. Тому з 12 наявних розрядів коду програма використовує тільки сім старших. Ігнорування п'яти молодших розрядів дозволило відмовитися від програмного усереднювання результату перетворення. Розрядів, що залишилися, цілком вистачає для плавного, управління яскравістю індикаторів. Як вже відзначалося, вузол динамічного виведення інформації на індикатори HG1 - HG4 зібраний на мікросхемах TLC59213IPWR(DD3) і TLC59210IPWR(DD5). Достатня максимальна яскравість застосованих індикаторів досягається при імпульсному струмі їх загальних анодів близько 330 мА (включені все елементи). Оскільки індикатор чотирьох розрядний, а регістр TLC59213IPWR має вісім розрядів, для полегшення режиму роботи розряди регістра сполучені попарно як по входах, так і по виходах. В результаті якого-небудь відчутного розігрівання мікросхеми не спостерігається. Хоча деякі інформаційні входи регістрів DD3 і DD5 сполучені з одними і тими ж виходами порту Р1 мікроконтроллера, завантаження інформації у регістри відбувається окремо по тактових сигналах, що формуються на виходах Р2.3 і Р2.4 мікроконтроллери.

В результаті на організацію динамічної індикації витрачені всього десять виведень мікроконтроллера.

Резистори, що обмежують струм елементів світлодіодних індикаторів, знаходяться в складанні резистора DR1. Оскільки десяткова точка(елемент Н), на відміну від елементів A - G, містить лише два, а не чотири світлодіода, обмежувальний резистор в його ланцюзі має бути більшого опору чим інші. Це досягнуто включенням послідовно з тим, що відповідає резистором складання DR1 двох додаткових резисторів R9 і R10. Живлення годинника робиться змінним напругою 12,6 В, 50 Гц, що подається на роз'єм XS2 від відповідного знижувального трансформатора.

Випрямлене діодним мостом VD1 і згладжене конденсатором С6 напруга поступає на імпульсний стабілізатор, зібраний на мікросхемі TPS54101(DA1), що добре зарекомендувала себе, працюючій на частоті 500 кГц. Помітимо, що на роз'єм XS2 можна подати і постійну напругу 15...25 У будь-якій полярності. Подстроечным резистором R5 регулюють в межах приблизно 7... 13. У вихідну напругу імпульсного стабілізатора. Цим встановлюють бажану яскравість індикаторів HG1 - HG4. У нашому випадку оптимальне значення цієї напруги виявилося рівним 10,5 В. Воно живить мікросхему DD3 і, крім того, поступає на вхід лінійного стабілізатора МСР1703Т-3302Е/СВ(DA2), що дає напруга 3,3 В для живлення інших вузлів годинника. Вибір саме цього стабілізатора пояснюється його вхідна напруга до 16 В. Струм навантаження по ланцюгу 3,3 В не перевищує 2 мА. Програма мікроконтроллера написана на мові асемблер сімейства MSP430 і призначена для компіляції у вільно поширюваній системі розробки програм IAR - KICKSTART.

За бажання розширити функціональні можливості годинника шляхом доопрацювання програми слід враховувати що варіант програми, що додається до статті правильно вказати в параметрах проектувати використовуваного мікроконтроллера. Динамічна індикація організована у програмі за допомогою перериваючого каналу 0 таймера, генерованих кожні 1000/256 ~ 3,9 м/с. При цьому частота регенерації інформації на індикаторі виходить рівною 64 Гц.

Рисунок 2. Схема друкованої плати

Якщо годинник працює від зовнішнього джерела живлення практично без перерв, для продовження терміну служби елементу G1 мікросхему DD4 можна живити вихідною напругою стабілізатора DA2, подавши цю напругу на її виведення 3 через діод(бажано - діод Шотки). Такий же діод необхідно включити і послідовно з элементомG1. Перемикання мікросхеми DD4 на автономне живлення за відсутності зовнішнього відбуватиметься автоматично.

Майже всі деталі годинника смонтовано. Малюнок друкарських провідників друкувався на спеціальному папері Toner Transfer System фірми Pulsar. Фірма рекомендує використати вже морально застарілий лазерний принтер HP Laser Jet 4, але непогані результати отримані і з сучаснішим принтером Dell 5210. Цей папір має покриття, що забезпечує відставання від нього тонера при зануренні у воду. Для перенесення малюнка з паперу на фольгу використовувався ламінатор. З його ж допомогою малюнок на платі додатково покривався плівкою GreenTRF Foil тієї ж фірми. Це значно

зменшило "затруювання" друкарських провідників, пов'язане з пористою структурою тонера. Плата розрахована на установку резисторів і конденсаторів для поверхневого монтажу розмірів 0402, 0603 і 0805. Резистор складання DR1 - 766163220GP фірм CTS. Мікросхеми TLC59210IPRW і TLC59213IPRW - в корпусах TSSOP – 20 з кроком виведень 0,65 мм. Вони також випускаються з індексом IN - в корпусах PDIP - 20 для звичайного монтажу. Але застосування таких мікросхем потребує. При обробці переривання "семиелементний" код чергової цифри виводиться у порт Р1 мікроконтроллера і потім записується в регістр DD5 тактовим імпульсом, що формується на лінії Р2.4.

Після цього в порт Р1 виводиться число 1,2,4 або 8 залежно від того, в якому розряді індикатора повинна з'явитися цифра, код якої знаходиться в регістрі DD5. Це число (в двійковому уявленні - одиниця в розряді, що відображається, і нулі в інших) переписується в регістр DD3 тактовим імпульсом з лінії Р2.3.

В результаті включається індикатор HG1, що відповідає розряду, що виводиться, - HG4. Через 125N/4096 м/с канал 1 таймера мікроконтроллера генерує запит переривання, при обробці якого усі розряди регістра DD3 обнуляється і усі індикатори гаснуть. Значення записується у регістр TACCR1 каналу 1 таймера і може знаходитися в інтервалі від 4 до 127. Відповідно до його програма змінює коефіцієнт заповнення імпульсів, що включають індикатори, від 3 мінімальна яскравість до 24,8 максимальна яскравість. Через 15360 запитів переривання від каналу 0 таймера(тобто раз на хвилину) виконується читання поточного часу з мікросхеми DD4 з відповідною зміною свідчень на індикаторах.

Рівень освітленості вимірюється кожні 15 с. Частіше це робити недоцільно ще і тому, що передача інформації з АЦП DD1 по спільних з мікросхемою DD4 лініям інтерфейсу l2C призводить до збільшення струму

споживаного мікросхемою DD4 від елементу G1. Фальга на нижній стороні плати і значна її частина на верхній використана в якості загального дроту. На платі є п'ять дротяних перемичок. По кутах передбачені чотири отвори для кріпильних стойок. Ще одно отвір для стойки знаходиться під літієвим елементом G1. Вона запобігає зайвому прогинанню плати при зміні елементу.

Істотної переробки друкованої плати конденсатор С10 - оксидний танталовий типічного розміру 7343. Керамічний конденсатор С7 типічного розміру 1206 має бути розрахований на напругу не менше 25 В. Дросель L1 слід вибирати з можливо меншим опором постійному струму. Кварцевий резонатор ZQ1 - ABS09 - 32.768KHZ-7 - T фірми Abracon. Розетка XS1 - LPPB071NFSC - RC фірми Sullins з кроком гнізд 1,27 мм. Кнопки SB1 і SB2 - моделі KSC201GLFS фірми З&К. Зовнішній вигляд зібраних і працюючих годинника з боку індикаторів показаний на мал. 3, а з боку монтажу - на мал. 4. Кожен індикатор

змонтований на окремій перфорованій платі. Все чотири укріплені гвинтами М2 на двох алюмінієвих швелерах шириною 12,5 мм, які утворюють шасі конструкції. Із зворотної сторони однієї з цих плат встановлений роз'єм живлення XS2, діодний міст VD1 (він має бути розрахований на струм не менше 1 А) і згладжуючий оксидний конденсатор С6. Щоб уміщатися у відведеному йому місці, цей конденсатор має бути малогабаритним, діаметром не більше 10...12 мм. Потрібно звернути увагу, що індикатори HG1, HG3 і HG4 повернені на 180 градусів, відносно HG2. Їх десяткові точки знаходяться не в нижній, як завжди а у верхній частині табло. Це дозволяє зображувати дві розділові точки між розрядами годинника і хвилин а при можливому доповненні годинника термометром - символ градуса. Монтаж індикаторів виконаний гнучкими ізольованими дротами діаметром 0,5 мм. Фоторезистор R1 приклеєний до верхнього швелера через ізоляційну прокладення, а його виведення пропущені в спеціально просвердлені отвори. Задня стінка годинника виготовлена з органічного скла. Для доступу до кнопок SB1, SB2 в ній просвердлені два отвори. Завдяки високій точності установки і стабільності частоти вбудованого в мікросхему DD4 генератора коригувати свідчення

годинника доводиться досить рідко. Задня стінка кріпиться чотирма гвинтами М2, 5 до швелерів, для чого в них передбачені різьбові отвори. Бічні стінки відсутні, що покращує вентиляцію. Налагодження годинника зводиться до установки підстроєчним резистором R5 оптимальної напруги на виході

імпульсного стабілізатора, зібраного на мікросхемі DA1. До першого включення його движок слід перевести у те, що відповідає мінімуму напруги праве за схемою положення. Потім, освітивши фоторезистор яскравим

сонячним світлом або потужною лампою, повільним обертанням движка підстроєчного резистора добитися потрібній яскравості індикаторів. Помічено, що збільшення напруги вище за деяке значення(у нашому випадку вище 11В) вже не викликає помітного приросту яскравості, але призводить до відчутного підвищення температури корпусу мікросхеми DD3. Якщо використовується фоторезистор, що відрізняється від вказаного на схемі може знадобитися підбірка резистора R2. Слід прагнути до того, щоб напруга на вході (виведенні 1 АЦП) DD1 було як можна ближче до 3,3 В при яскравому світлі і як можна ближче до нуля в темряві.