Как сделать светодиодные часы. Как сделать своими руками таймер из электронных часов

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.

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.

Совсем не давно появилась необходимость в доме заиметь часы, но только электронные , так как я не люблю стрелочные, потому что они тикают. У меня есть не малый опыт в пайке и вытравки схем. Порыскав по просторам Интернета и почитав некоторую литературу, я решил выбрать самую простую схему, так как мне не нужны часы с будильником.

Выбрал эту схему так как по ней легко сделать часы своими руками

Приступим, так что же нам надо для того, чтобы сделать себе часы своими руками? Ну конечно руки, умение (даже не большое) чтения схем, паяльник и детали. Вот полный перечень того, что я использовал:

Кварц на 10 мГц – 1 шт, микроконтроллер ATtiny 2313, резисторы на 100 Ом – 8 шт., 3 шт. на 10 кОм, 2 конденсатора по 22 пФ, 4 транзистора, 2 кнопки, светодиодный индикатор 4 разрядный KEM-5641-ASR (RL-F5610SBAW/D15). Монтаж я выполнял на одностороннем текстолите.

Но в этой схеме есть недостаток : на выводы микроконтроллера (далее МК), которые отвечают за управление разрядами, поступает довольно таки приличная нагрузка. Ток в общей сумме намного превышается от максимального тока порта, но при динамической индикации МК не успевает перегреваться. Для того чтобы МК не вышел из строя, добавляем в цепи разрядов 100 Ом резисторы.

В этой схеме управление индикатора осуществляется по принципу динамической индикации, в соответствии с которой сегменты индикатора управляются сигналами с соответствующих выводов МК. Частота повторения этих сигналов более 25 Гц и из-за этого свечение цифр индикатора кажется непрерывным.

Электронные часы, выполненные по выше указанной схеме, могут только показывать время (часы и минуты), а секунды показывает точка между сегментами , которая мигает. Для управления режимом работы часов в их структуре предусмотрены кнопочные переключатели, которые управляют настройкой часов и минут. Питание данной схемы осуществляется от блока питания в 5В. При изготовлении печатной платы в схему был включен 5В стабилитрон.

Так как у меня имеется БП на 5В, я из схемы исключил стабилитрон.

Чтобы изготовить плату, выполнялось нанесение схемы с помощью утюга. То есть печатная схема распечатывалась на струйном принтере с использованием глянцевой бумаги, ее можно взять с современных глянцевых журналов. После вырезался текстолит нужных размеров. У меня размер получился 36*26 мм. Такой маленький размер из-за того, что все детали выбраны в SMD корпусе.

Вытравка платы осуществлялась с помощью хлорного железа (FeCl 3 ) . По времени вытравка заняла примерно час, так как ванночка с платной стояла на камине, высокая температура влияет на время вытравки, не используемой меди в плате. Но не стоит переусердствовать с температурой.

Пока шел процесс вытравки, дабы не ломать себе голову и не писать прошивку для работы часов, пошел на просторы Интернета и нашел под данную схему прошивку. Как прошивать МК, так же можно найти в Интернете. Мною был использован программатор, который прошивает только МК компании ATMEGA.

И вот наконец-то наша плата готова и мы можем приступить к пайке наших часов. Для пайки нужен паяльник на 25 Вт с тонким жалом для того, чтобы не спалить МК и другие детали. Пайку осуществляем осторожно и желательно с первого раза припаиваем все ножки МК, но только по отдельности. Для тех, кто не в теме знайте, что детали, выполненные в SMD корпусе, имеют на своих выводах олово, для быстрой пайки.

А вот так вот выглядит плата с припаянными деталями.

Внимание! Порядок добавления тегов имеет значение! Начинайте добавлять с наиболее важного. По возможности пользуйтесь уже существующими тегами

Большие часы на светодиодах

Вступление.

Началось всё так. На даче у меня был старый механический будильник (made in USSR), у которого были проблемы с механикой. Я решил собрать электронные часы. Первая проблема - какой индикатор выбрать. ВЛИ и ГРИ не подходать из-за больших перепадов температур на даче. ЖКИ отпадает по той же причине. Остаётся светодиодный индикатор. Мне надоело разглядывать мелкие цифры на индикаторах, а большие семисегментники редкие и дорогие. Решено было сделать индикатор с высотой цифры 50мм из отдельных зелёных светодиодов.

С индикатором разобрались, но им нужно как-то управлять. При этом часы должны идти даже при длительном отсутсвии питания. Будем делать на МК ATTiny2313 и микросхеме RTC DS1307, которая так же имеет встоенный контроллер питания и позволяет подключить батарейку.

1. Индикатор.

Делать будем, как я уже сказал, из отдельных зелёных светодиодов диаметром 5мм. Вот схема индикатора:

Пояснять тут особо нечего. Резисторы токоограничивающие, диоды нужны для красивого рисования цифр. В каждом прямоугольнике на схеме должен быть один разряд (схема у всех одинаковая), по середине - разделительное двоеточие.

2. Основная часть.

Схема, как я уже говорил, на ATTiny2313 и DS1307. Вот она:

Тут уже пояснения требуются. Справа два сдвоенных семисегментника и два светодиода - внутренняя схема маленького индикатора с ОА. Зачем два индикатора? Ночью большой индикатор ярким свечением может мешать спать (часы будут около кровати), по этому индикацию можно переключить на маленький индикатор переключателем SW1. В положении "Ночн." работает маленький индикатор, в положении "Дневн." - большой. Этот маленький индикатор я достал из стиральной машины, распиновка есть на печетке. Батрейка на 3В, CR2032. Транзисторы Q1-Q4 можно заменить на любые другие маломощные PNP транзисторы, например на КТ315. Q6-Q9 - на PNP током КЭ не менее 1А, Q5 - на NPN с током коллектора не менее 0,4А. Блок питания может быть любой с напряжением 9-20В, полярность не важна, можно даже переменку пускать. Ток не менее 1А. Стабилизатор U4 нужно установить на радиатор. Кстати, чем меньше входное напряжение - тем легче живётся стабилизатору. У меня БП такой:

Теперь переходим к сборке.

3. Сборка.

Идём в магазин и покупаем детали.

Делаем платы и начинаем паять. Запаять 88 светодиодов, столько же резисторов и 44 диода - не легко, но оно того стоит.

Теперь соединяем всё проводами. Я использовать шлейфы и разъёмы PLS/PBS. Вам помогут эти картинки:

Теперь прошиваем МК. Вот фьюзы:

И включаем:

Кнопки и разъёмы я использовал такие:

4. Корпус.

Корпус я сделал из фанеры и бруска 20*40, зашкурил и покрыл лаком. Сзади поставил два крепежа для крепления на стену.

Кстати, для заклеивания окошек для индикаторов я использовал плёнку от зелёных бутылок, выглядит красиво и защищает от засветки солнцем.

Теперь несколько фотографий:

Данные часы собранны на хорошо известном комплекте микросхем - К176ИЕ18 (двоичный счетчик для часов с генератором сигнала звонка),

К176ИЕ13 (счетчик для часов с будильником) и К176ИД2 (преобразователь двоичного кода в семисегментный)

При включении питания в счетчик часов, минут и в регистр памяти будильника микросхемы U2 автоматически записываются нули. Для установки

времени следует нажать кнопку S4 (Time Set) и придерживая ее нажать кнопку S3 (Hour) - для установки часов или S2 (Min) - для установки

минут. При этом показания соответствующих индикаторов начнут изменяться с частотой 2 Гц от 00 до 59 и далее снова 00. В момент перехода

от 59 к 00 показания счетчика часов увеличатся на единицу. Установка времени будильника происходит так же, только придерживать нужно

кнопку S5 (Alarm Set). После установки времени срабатывания будильника нужно нажать кнопку S1 для включения будильника (контакты

замкнуты). Кнопка S6 (Reset) служит для принудительного сброса индикаторов минут в 00 при настройке. Светодиоды D3 и D4 играют роль

разделительных точек, мигающих с частотой 1 Hz. Цифровые индикаторы на схеме расположены в правильном порядке, т.е. сначала идут

индикаторы часов, две разделительные точки (светодиоды D3 и D4) и индикаторы минут.

В часах использовались резисторы R6-R12 и R14-R16 ваттностью 0,25W остальные - 0,125W. Кварцевый резонатор XTAL1 на частоту 32 768Hz -

обычный часовой, Транзисторы КТ315А можно заменить на любые маломощные кремниевые соответствующей структуры, КТ815А - на транзисторы

средней мощности со статическим коэффициентом передачи тока базы не менее 40, диоды - любые кремниевые маломощные. Пищалка BZ1

динамическая, без встроенного генератора, сопротивление обмотки 45 Om. Кнопка S1 естественно с фиксацией.

Индикаторы использованы TOS-5163AG зеленого свечения, можно применить любые другие индикаторы с общим катодом, не уменьшая при этом

сопротивление резисторов R6-R12. На рисунке Вы можете наблюдать распиновку данного индикатора, выводы показаны условно, т.к. представлен

вид сверху.

После сборки часов, возможно, нужно будет подстроить частоту кварцевого генератора. Точнее всего это можно сделать, контролируя цифровым

частотомером период колебаний 1 с на выводе 4 микросхемы U1. Настройка генератора по ходу часов потребует значительно большей затраты

времени. Возможно, придется также подстроить яркость свечения светодиодов D3 и D4 подбором сопротивления резистора R5, чтобы все

светилось равномерно ярко. Потребляемый часами ток не превышает 180 мА.

Часы питаются от обычного блока питания, собранного на плюсовом микросхемном стабилизаторе 7809 с выходным напряжением +9V и током 1,5A.