Электронные часы своими руками схемы для начинающих. Часы со светодиодной индикацией своими руками
20 августа 2015 в 12:34Самодельные 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.
Привет, geektimes! В первой части статьи были рассмотрены принципы получения точного времени на самодельных часах. Пойдем дальше, и рассмотрим, как и на чем это время лучше выводить.
1. Устройства вывода
Итак, у нас есть некая платформа (Arduino, Raspberry, PIC/AVR/STM-контроллер, etc), и стоит задача подключить к нему некую индикацию. Есть множество вариантов, которые мы и рассмотрим.Сегментная индикация
Тут все просто. Сегментный индикатор состоит из обычных светодиодов, которые банально подключаются к микроконтроллеру через гасящие резисторы.Осторожно, траффик!
Плюсы: простота конструкции, хорошие углы обзора, невысокая цена.
Минус: количество отображаемой информации ограничено.
Конструкции индикаторов бывают двух видов, с общим катодом и общим анодом, внутри это выглядит примерно так (схема с сайта производителя).
Есть 1001 статья как подключить светодиод к микроконтроллеру, гугл в помощь. Сложности начинаются тогда, когда мы захотим сделать большие часы - ведь смотреть на мелкий индикатор не особо удобно. Тогда нам нужны такие индикаторы (фото с eBay):
Они питаются от 12В, и напрямую от микроконтроллера просто не заработают. Тут нам в помощь приходит микросхема CD4511 , как раз для этого предназначенная. Она не только преобразует данные с 4-битной линии в нужные цифры, но и содержит встроенный транзисторный ключ для подачи напряжения на индикатор. Таким образом, нам в схеме нужно будет иметь «силовое» напряжение в 9-12В, и отдельный понижающий преобразователь (например L7805) для питания «логики» схемы.
Матричные индикаторы
По сути, это те же светодиоды, только в виде матрицы 8х8. Фото с eBay:
Продаются на eBay в виде одиночных модулей либо готовых блоков, например по 4 штуки. Управление ими весьма просто - на модулях уже распаяна микросхема MAX7219
, обеспечивающая их работу и подключение к микроконтроллеру с помощью всего лишь 5 проводов. Для Arduino есть много библиотек, желающие могут посмотреть код.
Плюсы: невысокая цена, хорошие углы обзора и яркость.
Минус: невысокое разрешение. Но для задачи вывода времени вполне достаточно.
ЖК-индикаторы
ЖК-индикаторы бывают графические и текстовые.
Графические дороже, однако позволяют выводить более разнообразную информацию (например график атмосферного давления). Текстовые дешевле, и с ними проще работать, они также позволяют выводить псевдографику - есть возможность загружать в дисплей пользовательские символы.
Работать с ЖК-индикатором из кода несложно, но есть определенный минус - индикатор требует много управляющих линий (от 7 до 12) от микроконтроллера, что неудобно. Поэтому китайцы придумали совместить ЖК-индикатор с i2c-контроллером, получилось в итоге очень удобно - для подключения достаточно всего 4х проводов (фото с eBay).
ЖК-индикаторы достаточно дешевые (если брать на еБее), крупные, их просто подключать, и можно выводить разнообразную информацию. Единственный минус это не очень большие углы обзора.
OLED-индикаторы
Являются улучшенным продолжением предыдущего варианта. Варьируются от маленьких и дешевых с диагональю 1.1", до больших и дорогих. Фото с eBay.
Собственно, хороши всем кроме цены. Что касается мелких индикаторов, размером 0.9-1.1", то (кроме изучения работы с i2c) какое-то практическое применение им найти сложно.
Газоразрядные индикаторы (ИН-14, ИН-18)
Эти индикаторы сейчас весьма популярны, видимо из-за «теплого лампового звука света» и оригинальности конструкции.
(фото с сайта nocrotec.com)
Схема их подключения несколько сложнее, т.к. эти индикаторы для зажигания используют напряжение в 170В. Преобразователь из 12В=>180В может быть сделан на микросхеме MAX771 . Для подачи напряжения на индикаторы используется советская микросхема К155ИД1 , которая специально для этого и была создана. Цена вопроса при самостоятельном изготовлении: около 500р за каждый индикатор и 100р за К155ИД1, все остальные детали, как писали в старых журналах, «дефицитными не являются». Основная сложность тут в том, что и ИН-хх, и К155ИД1, давно сняты с производства, и купить их можно разве что на радиорынках или в немногих специализированных магазинах.
2. Выбор платформы
С индикацией мы более-менее разобрались, осталось решить, какую аппаратную платформу лучше использовать. Тут есть несколько вариантов (самодельные я не рассматриваю, т.к. тем кто умеет развести плату и припаять процессор, эта статья не нужна).Arduino
Самый простой вариант для начинающих. Готовая плата стоит недорого (около 10$ на eBay с бесплатной доставкой), имеет все необходимые разъемы для программирования. Фото с eBay:
Под Arduino есть огромное количество разных библиотек (например для тех же ЖК-экранов, модулей реального времени), Arduino аппаратно совместима с различными дополнительными модулями.
Главный минус: сложность отладки (только через консоль последовательного порта) и довольно-таки слабый по современным меркам процессор (2КБайт RAM и 16МГц).
Главный плюс: можно сделать много чего, практически не заморачиваясь с пайкой, покупкой программатора и разводкой плат, модули достаточно соединить друг с другом.
32-разрядные процессоры STM
Для тех кто захочет что-то помощнее, есть готовые платы с процессорами STM, например плата с STM32F103RBT6 и TFT-экраном. Фото с eBay:
Здесь мы уже имеем полноценную отладку в полноценной IDE (из всех разных мне больше понравилась Coocox IDE), однако понадобится отдельный программатор-отладчик ST-LINK с разъемом JTAG (цена вопроса 20-40$ на eBay). Как вариант, можно купить отладочную плату STM32F4Discovery, на которой этот программатор уже встроен, и его можно использовать отдельно.
Raspberry PI
И наконец, для тех кто хочет полной интеграции с современным миром, есть одноплатные компьютеры с Linux, всем уже наверное известные Raspberry PI. Фото с eBay:
Это полноценный компьютер с Linux, гигабайтом RAM и 4х-ядерным процессором на борту. С краю платы выведена панель из 40 пинов, позволяющая подключать различную периферию (пины доступны из кода, например на Python, не говоря о C/C++), есть также стандартный USB в виде 4х разъемов (можно подключить WiFi). Так же есть стандартный HDMI.
Мощности платы хватит к примеру, не только чтобы выводить время, но и чтобы держать HTTP-сервер для настройки параметров через web-интерфейс, подгружать прогноз погоды через интернет, и так далее. В общем, простор для полета фантазии большой.
С Raspberry (и процессорами STM32) есть одна единственная сложность - ее пины используют 3-вольтовую логику, а большинство внешних устройств (например ЖК-экраны) работают «по старинке» от 5В. Можно конечно подключить и так, в принципе заработает, но это не совсем правильный метод, да и испортить плату за 50$ как-то жалко. Правильный способ - использовать «logic level converter», который на eBay стоит всего 1-2$.
Фото с eBay:
Теперь достаточно подключить наше устройство через такой модуль, и все параметры будут согласованы.
ESP8266
Способ скорее экзотический, но довольно-таки перспективный в силу компактности и дешевизны решения. За совсем небольшие деньги (около 4-5$ на eBay) можно купить модуль ESP8266, содержащий процессор и WiFi на борту.Фото с eBay:
Изначально такие модули предназначались как WiFi-мост для обмена по serial-порту, однако энтузиастами было написано множество альтернативных прошивок, позволяющих работать с датчиками, i2c-устройствами, PWM и пр. Гипотетически вполне возможно получать время от NTP-сервера и выводить его по i2c на дисплей. Для тех кто хочет подключить много различной периферии, есть специальные платы NodeMCU с большим числом выводов, цена вопроса около 500р (разумеется на eBay):
Единственный минус - ESP8266 имеет очень мало памяти RAM (в зависимости от прошивки, от 1 до 32КБайт), но задача от этого становится даже интересней. Модули ESP8266 используют 3-вольтовую логику, так что вышеприведенный конвертор уровней тут также пригодится.
На этом вводный экскурс в самодельную электронику можно закончить, автор желает всем удачных экспериментов.
Вместо заключения
Я в итоге остановился на использовании Raspberry PI с текстовым индикатором, настроенным на работу с псевдографикой (что вышло дешевле чем графический экран той же диагонали). Сфоткал экран настольных часов во время написания этой статьи.
Часы выводят точное время, взятое из Интернета, и погоду которая обновляется с Яндекса, все это написано на Python, и вполне работает уже несколько месяцев. Параллельно на часах запущен FTP-сервер, что позволяет (вкупе с пробросом портов на роутере) обновить на них прошивку не только из дома, но и из любого места где есть Интернет. Как бонус, ресурсов Raspberry в принципе хватит и для подключения камеры и/или микрофона с возможностью удаленного наблюдения за квартирой, или для управлением различными модулями/реле/датчиками. Можно добавить всякие «плюшки», типа светодиодной индикации о пришедшей почте, и так далее.
PS: Почему eBay?
Как можно было видеть, для всех девайсов приводились цены или фото с ебея. Почему так? К сожалению, наши магазины часто живут по принципу «за 1$ купил, за 3$ продал, на эти 2 процента и живу». В качестве простого примера, Arduino Uno R3 стоит (на момент написания статьи) 3600р в Петербурге, и 350р на eBay с бесплатной доставкой из Китая. Разница действительно на порядок, безо всяких литературных преувеличений. Да, придется подождать месяц чтобы забрать посылку на почте, но такая разница в цене думаю, того стоит. Но впрочем, если кому-то надо прямо сейчас и срочно, то наверно и в местных магазинах есть выбор, тут каждый решает сам.
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
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.
Наручные самодельные часы на вакуумном индикаторе, сделанные в стиле стимпанк. Материал взят с сайта www.johngineer.com. Эти наручные часы собраны на основе ИВЛ-2 дисплея. Изначально купил несколько таких индикаторов, чтобы создать стандартные настольные часы, но после размышлений понял, что можно построить стильные наручные часы тоже. Индикатор имеет ряд особенностей, которые делают его более подходящим для этой цели, чем большинство других советских дисплеев. Вот параметры:
- Номинальный ток накала 60mA 2.4V, но работает и с 35mA 1.2V.
- Небольшой размер - всего 1.25 x 2.25"
- Может работать с относительно низким напряжением сетки 12V (до 24)
- Потребляет только 2,5 мА/сегмент при 12.5V
Все фотки можно сделать по-больше кликнув на них. Самым крупным препятствием на пути к успешному завершению проекта было питание. Поскольку эти часы задумывались как часть костюма, не беда что аккумулятор работает всего 10 часов. Остановился на AA и AAA.
Схема довольно проста. Микроконтроллер Atmel AVR ATMega88, и часы реального времени - DS3231. Но есть и другие микросхемы, намного дешевле, которые будут работать так же хорошо в генераторе.
VFD-дисплей управляется MAX6920 - 12-разрядный регистр сдвига с высоким напряжением (до 70V) выходов. Он прост в использовании, очень надежный и компактный. Также возможно для драйвера дисплея спаять кучу дискретных компонентов, но это было непрактично из-за нехватки места.
Напряжение аккумулятора питает также повышающий преобразователь на 5 В (MCP1640 SOT23-6), который нужен для нормальной работы AVR, DS3231, и MAX6920, а также выступает в качестве входного напряжения для второго повышающего преобразователя (NCP1403 SOT23-5), который производит 13V для напряжения сетки вакуумного индикатора.
В часах есть три датчика: один аналоговый и два цифровых. Аналоговый датчик - это фототранзистор, он используется для выявления уровня освещения (Q2). Цифровые датчики: BMP180 - давления и температуры, и MMA8653 - акселерометр для обнаружения движения. Оба цифровых датчика связаны по шине I2C с DS3231.
Латунные трубочки припаяны для красоты и защиты стеклянного дисплея наручных часов, а медные толстые проволоки 2 мм - для крепления кожаного ремешка. Полная принципиальная схема в оригинальной статье не приводится - смотрите подключение по даташитам к указанным микросхемам.
Загрузка...
