Большие уличные светодиодные часы своими руками. Самодельные наручные часы
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
- Первым делом надо распаять все игольчатые контакты на монтажных и секционных платах;
- 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;
- Далее был установлен ШИМ-контроллер TLC5940 рядом с используемыми контактами;
- После выполняется подключение контроллера TLC5940, согласно схеме подключения;
- 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;
- Выполнено подключение модуля RTC, согласно схеме подключения;
- Собрана схема автоматического контроля яркости (LDR), ознакомиться можно по ссылке
- Выполнено подключение проводов для вольтметра, путем подключения проводов к выводу 6 и GND.
- 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.
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).
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 штуку .
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.
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. | ||||||||||||||||
|
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.
| Таблица 2. | ||||||||||||
|
Примечание: Параллельно кварцевому резонатору включен резистор 10 МОм.
| Таблица 3. | ||||||||||||
|
Примечание: Микросхему необходимо развернуть в панельке на 180°.
| Таблица 4. | ||||||||||||
|
Примечание: Добавьте SMD компоненты R и C к выводу RESET (10 кОм и 100 нФ).
| Таблица 5. | ||||||||||||
|
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
Полным аналогом SN74141 является микросхема К155ИД1, выпускавшаяся минским ПО «Интеграл».
Микросхему без труда можно найти в сети Интернет.
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!
Еще в юности мне хотелось собрать электронные часы. Мне казалось, что собрать часы, это было вершиной мастерства. В итоге я собрал часы с календарем и будильником на серии К176. Сейчас они уже морально устарели и мне захотелось собрать что-нибудь более современное. После долгих поисков по интернету (никогда не думал, что мне так трудно угодить;)) понравилась эта схема. Отличие от приведенной схемы в том, что не используется редкая микросхема ТРIC6В595
, а ее составной и более мощный аналог на микросхемах 74HC595
и ULN2003
. Исправления в схеме приведены ниже.
Схема электронных LED часов бегущая строка
Автор схемы уважаемый ОLED , прошивка тоже его. Часы индицируют текущее время, год, месяц и день недели а также температуру на улице и внутри дома бегущей строкой. Имеют 9 независимых будильников. Имеется возможность подстройки (коррекции) хода +- минуту в сутки, выбор скорости бега строки, смена яркости свечения светодиодов, в зависимости от времени суток.
При пропадании электричества, часы питаются либо от ионистора (емкости 1 Фарад хватает на 4 суток хода), либо от батарейки. Кому что по душе, плата рассчитана на установку того и другого. Имеют очень удобное и понятное меню управления (все управления производится всего двумя кнопками). В часах использованы следующие детали (все детали в СМД корпусах):
Микроконтролер АтМЕГА 16А
-
Сдвиговый регистр 74HC595
-
Микросхема ULN2803
(восемь ключей Дарлингтона)
-
Датчики температуры DS18B20
(устанавливаются по желанию)
-
25 резисторов на 75 Ом (типономинала 0805)
-
3 резистора 4.7кОм
-
2 резистора 1.5 кОм
-
1 резистор 3.6 кОм
-
6 СМД конденсаторов емкостью 0.1 мкф
-
1 конденсатор на 220 мкф
-
Часовой кварц на частоту 32768 герц.
-
Матрицы3 штуки марки 23088-АSR 60х60 мм - общий катод
-
Бузер любой на 5 вольт.
Плата печатная электронных LED часов бегущая строка
Для жителей Украины подскажу, матрицы есть в магазине Луганского радиомаркета. Преимущества часов перед другими аналогичными устройствами это минимум деталей и высокая повторяемость. Светодиодные часы начинают работать сразу после прошивки, если конечно отсутствуют косяки в монтаже. Прошивается микроконтроллер внутрисхемно, для этого на плате предусмотрены специальные выводы. Я прошивал программой Понипрог. Скрины фьюзов для программ понипрог
и AVR
приведены ниже, также выложены файлы прошивки на украинском и русском языке, кому что роднее.
Если Вам не нужны датчики температуры, то их можно не устанавливать. Часы автоматически распознают подключение датчиков, и если один или оба датчика отсутствуют, то устройство просто перестаёт отображать температуру (если отсутствует один датчик, то не отображается температура на улице, если оба - то не отображается температура вообще).
Самодельный корпус для LED часов
Для демонстрации работы часов приведено видео, оно не высокого качества, поскольку снималось фотоаппаратом, но уж какое есть.
Видеоролик работы часов
Собрано уже четыре экземпляра данных часов, дарю каждый на день рождения родственникам. И всем они очень понравились. Если вам тоже захотелось собрать эти часы и у вас возникли вопросы, милости прошу на наш форум. С уважением, Войтович Сергей (Сергей-7 8 ).
Обсудить статью ЧАСЫ ЭЛЕКТРОННЫЕ СВЕТОДИОДНЫЕ
Загрузка...
