Делаем сами простые часы за выходные

:

Статья о том, как за выходные с нуля сделать простые электронные часы с использованием микроконтроллера. Показана только основа часов, количество программных и аппаратных фич ограничивается только вашей фантазией).


Данная статья является логическим продолжением статьи о микроконтроллерах, опубликованной на хабре 26 августа (http://habrahabr.ru/blogs/hardware/37764/). Основной задачей я ставлю не дать пошаговые инструкции, какой проводок к чему припаивать, а вызвать интерес читателей к теме, смотивировав к самостоятельному изучению.

Итак, для того что бы создать часы необходимо освоить 2 технологии — это пайка и создание печатных плат при помощи лазерно-утюжной технологии.
Статья о пайке: licrym.org/index.php/%D0%9F%D0%B0%D0%B9%D0%BA%D0%B0
Статья о лазерно-утюжной технологии изготовления плат: licrym.org/wiki/index.php?wakka=Texnologii/LazernoUtjuzhnajaTexnologijaIzgotovlenijaPlat

Если нет желания / возможности изготовить печатную плату, то можно обойтись макетной платой, выглядит она так:

В ней просверлены отверстия с шагом 2,54 мм, от нее отрезается кусок подходящего размера, детали устанавливаются и припаиваются (вокруг каждого отверстия кружочек медной фольги) и затем необходимые соединения делаются отрезками провода. Выглядит неэстетично (паутина проводов), зато ненужно травить плату.

В совершенно крайнем случае можно заменить макетную плату плотной картонкой с проколотыми отверстиями, но тогда эту импровизированную плату нельзя ни мять ни гнуть.

Итак, нам понадобятся инструменты: паяльник, бокорезы, мультиметр (для отладки, хотя у меня всё заработало сразу).
Детали: микроконтроллер attiny2313, колодка под него, 2 кнопки, микросхема-стабилизатор 7805, четыре 7ми сегментных светодиодных индикатора, у меня это SA15–11GWA (высота цифр 38 мм). Размер индикатора любой, главное что бы ток сегмента не превышал 40 мА (смотреть в даташите на конкретный индикатор), 4 транзистора КТ817Б, кварц на 16 мгц, 2 конденсатора на 22 пф, конденсатор на 220 нф, ну и пара резисторов. Конкретные компоненты указывать не имеет смысла, т.к. возможно придется использовать аналоги + резисторы расчитываются.

Итак, начнем с деталей, на снимке:

Микроконтроллер обошелся в 41 руб, индикаторы по 52,8 руб за штуку. Всего получается 252,2 руб. Остальное было извлечено из запасов, но в любом случае бюджет бы не превысил бы 300 рублей.

Плата была нарисована вручную в программе Sprint Layout 4. Вот вытравленная плата:

Фото часов в сборе. На заднем плане мой блок питания, который я описывал тут: Универсальный блок питания

Вид часов в полумраке:

А теперь давайте разберемся с тем как это работает. Вот схема(широкая, потому ссылкой):
licrym.org/habrahabr/small_clock_scheme.jpg

При включении питания запускается микроконтроллер. Микроконтроллер тактируется от кварца с частотой 16 МГц. В микроконтроллер залита управляющая программа.

У микроконтроллера есть внутри так называемый таймер, обычно их несколько (8ми и 16 битные). Таймер можно использовать по разному, для подсчета внешних импульсов, для генерирования заданной частоты, для генерирования ШИМ сигнала и т.д. В данном случае мы будем использовать его для отсчета времени. Мы включим таймер считать импульсы на системной шине (т.е. 16 мгц кварца), включим предделитель 256 и прерывание по совпадению с числом 625. Тоесть таймер будет у нас тикать с частотой 16Мгц/256=62500 Гц, и вызывать прерывание как только таймер досчитает до 625, тоесть прерывание у нас будет случаться каждые 1/100 сек. Каждое прерывание программа будет увеличивать счетчик сотых секунд на 1, сбрасывать таймер и возвращаться к отображению времени.
Если количество сотых секунд достигает 100, то мы увеличиваем на 1 значение секунд, а значением сотых секунд сбрасываем. И так далее вплоть до десятков часов, которые сбрасываются по достижении 24 без увеличения следующего разряда. Часы предельно простые, поэтому не считают ни дату, ни перевод на зимнее/летнее время и т.д. Данные функции можно реализовать программно, без изменения аппаратной части, поэтому остаются для реализации желающим.

Разобравшись с таймером и прерываниями мы получаем значение текущего времени в глобальных переменных. Теперь займемся выводом этих значений. Так как количество портов микроконтроллера ограничено, то будем эксплуатировать инерционность зрения. Катоды всех 4 индикаторов соединены параллельно, а аноды коммутируются отдельно, что позволяет нам в любой момент времени вывести любую цифру на любой индикатор. Быстро переключая порт B, к которому подключены катоды и быстро переключая аноды мы можем создать видимость, что у нас работают все 4 цифры, хотя единовременно работает только одна. Иными словами, если текущее время 12:51, то мы выводим цифру 1 на первый индикатор, спустя малый промежуток времени (у меня 1 мс) выводим цифру 2 на второй индикатор, спустя 1 мс выводим 5 на 3 индикатор, спустя 1 мс выводим 1 на 4 индикатор и так далее по кругу.

Кнопки опрашиваются после каждого цикла отображения (примерно 40 раз в сек), обработка нажатия снабжена антидребезгом и «защелкой» в виде флага, что позволяет считать именно нажатия не отвлекаясь на удержание.

Транзисторы установлены для комутации анодов. Дело в том что ток, который может пропустить через себя одна нога порта ограничено 40 мА, а у моего индикатора в случае включения всех 7 сегментов и точки (отдельный светодиод на схеме это как раз точка) составит 160 мА.

код, который управляет часами:
/*****************************************************
This program was produced by the
CodeWizardAVR V1.25.7 beta 5 Professional
Automatic Program Generator
© Copyright 1998-2007 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l.
www.hpinfotech.com

Project : Simple AVR Clock
Version :
Date : 01.05.2008
Author : Spiritus Sancti
Company : licrym.org
Comments:

Chip type : ATtiny2313
Clock frequency : 16,000000 MHz
Memory model : Tiny
External SRAM size : 0
Data Stack size : 32
*****************************************************/

#include <tiny2313.h>
#include <delay.h>
#define digit_display_time 1

unsigned char milliseconds, seconds, ten_seconds, minutes, ten_minutes, hours, ten_hours;
bit button_pressed1, button_pressed2;

// Timer 1 output compare A interrupt service routine
interrupt [TIM1_COMPA] void timer1_compa_isr(void) //Прерывание происходит 100 раз в сек, сохраняем в глобальные переменные текущее время
{ milliseconds++;
TCNT1H=0x00;
TCNT1L=0x00;

if (milliseconds >= 100 ) //Здесь моя ошибка. в переменной milliseconds хранятся СОТЫЕ доли секунд а не миллисекунды.
{
milliseconds = 0;
seconds++;
};

if (seconds >= 10)
{
seconds = 0;
ten_seconds++;
};

if (ten_seconds >= 6)
{
ten_seconds = 0;
minutes++;
};

if (minutes >= 10)
{
minutes = 0;
ten_minutes++;
};

if (ten_minutes >= 6)
{
ten_minutes = 0;
hours++;
};

if (hours >= 10)
{
hours = 0;
ten_hours++;
};

if (ten_hours >= 2 && hours == 4)
{
ten_hours = 0;
hours=0;
};

}

void main(void)
{
unsigned char digits[10] = {18, 159, 56, 28, 149, 84, 80, 31, 16, 20}; //массив для генерации цифр. Какой элемент массива будет отправлен в порт, такая цифра и загорится.

// Crystal Oscillator division factor: 1

CLKPR=0x80;
CLKPR=0x00;

// Input/Output Ports initialization
// Port A initialization
// Func2=In Func1=In Func0=In
// State2=T State1=T State0=T
PORTA=0x00;
DDRA=0x00;

// Port B initialization
// Func7=Out Func6=Out Func5=Out Func4=Out Func3=Out Func2=Out Func1=Out Func0=Out
// State7=1 State6=1 State5=1 State4=1 State3=1 State2=1 State1=1 State0=1
PORTB=0xFF;
DDRB=0xFF;

// Port D initialization
// Func6=Out Func5=Out Func4=Out Func3=Out Func2=Out Func1=In Func0=In
// State6=0 State5=0 State4=0 State3=0 State2=0 State1=P State0=P
PORTD=0x03;
DDRD=0x7C;

// Timer/Counter 0 initialization
// Clock source: System Clock
// Clock value: Timer 0 Stopped
// Mode: Normal top=FFh
// OC0A output: Disconnected
// OC0B output: Disconnected
TCCR0A=0x00;
TCCR0B=0x00;
TCNT0=0x00;
OCR0A=0x00;
OCR0B=0x00;

// Timer/Counter 1 initialization
// Clock source: System Clock
// Clock value: 62,500 kHz
// Mode: Normal top=FFFFh
// OC1A output: Discon.
// OC1B output: Discon.
// Noise Canceler: Off
// Input Capture on Falling Edge
// Timer 1 Overflow Interrupt: Off
// Input Capture Interrupt: Off
// Compare A Match Interrupt: On
// Compare B Match Interrupt: Off
TCCR1A=0x00;
TCCR1B=0x04;
TCNT1H=0x00;
TCNT1L=0x00;
ICR1H=0x00;
ICR1L=0x00;
OCR1AH=0x02;
OCR1AL=0x71;
OCR1BH=0x00;
OCR1BL=0x00;

// External Interrupt(s) initialization
// INT0: Off
// INT1: Off
// Interrupt on any change on pins PCINT0-7: Off
GIMSK=0x00;
MCUCR=0x00;

// Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization
TIMSK=0x40;

// Universal Serial Interface initialization
// Mode: Disabled
// Clock source: Register & Counter=no clk.
// USI Counter Overflow Interrupt: Off
USICR=0x00;

// Analog Comparator initialization
// Analog Comparator: Off
// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off
ACSR=0x80;

// Global enable interrupts
#asm("sei")

while (1)
{
PORTD |=1<<5; //включаем первый индикатор
PORTB = digits[ten_hours]; //выводим на него десятки часов
delay_ms(digit_display_time); //ждем, время индикации одного разряда задается в заголовке программы
PORTD &=~(1<<5); //выключаем первый индикатор и переходим дальше и так в цикле для каждого из 4 разрядов
PORTD |=1<<4;
PORTB = digits[hours];
if (milliseconds >= 50) PORTB &=~(1<<4); else PORTB|=1<<4; //моргание точки
delay_ms(digit_display_time);
PORTD &=~(1<<4);
PORTD |=1<<3;
PORTB = digits[ten_minutes];
delay_ms(digit_display_time);
PORTD &=~(1<<3);
PORTD |=1<<6;
PORTB = digits[minutes];
delay_ms(digit_display_time);
PORTD &=~(1<<6);

//а вот теперь проверим кнопочки в стиле часов Электроника 13

if ((PIND & 1<<0) == 0 && button_pressed1 == 0) //Если нажата кнопка 1
{
delay_ms(1);
hours++;
button_pressed1 = 1;
};

if ((PIND & 1<<0) == 1) button_pressed1=0; //Если отпущена то сбрасываем флаг

if ((PIND & 1<<1) == 0 && button_pressed2 == 0) //Если нажата кнопка 2
{
delay_ms(1);
minutes++;
button_pressed2 = 1;
};

if (PIND & 1<<1) button_pressed2=0;

};
}

Программа написана в CodeVisionAVR. Схема создана в программе PROTEUS. Кстати там же в протеусе можно нарисовать виртуальную схему устройства и тут же запустить ее на симуляцию, узнав работает или нет.

Само собой в статье невозможно ответить на все вопросы и рассказать про все тонкости. В частности тем, кто решит повторить конструкцию, необходимо будет сделать программатор (в самом простом случае 4 проводка на порт LPT, распаять колодку программирования на плате (подключить 10 контактную колодку к ногам MOSI, MISO, SCK, RESET и GND) и выставить FUSE биты микроконтроллера что бы тактовый генератор переключится от внутренней RC цепочки на внешний кварц. про всё это можно найти на сайтах вроде avr123.nm.ru)

На создание данных часов с нуля (от идеи до травления платы, распайки и написания кода) у меня ушло 1,25 дня.
Оригинальная статья: licrym.org/index.php/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8B%D0%B5_%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%8B

Фичи которые можно добавить малой кровью:
1) прицепить на одну из свободных ног динамик и получить будильник
2) повесить на одну из свободных ног реле и получить таймер (например для автоматического включения гирлянды)
3) у микроконтроллера есть модуль USART так что подцепив микросхему — конвертер уровней (например MAX232 и пару конденсаторов) можно наладить двунаправленную связь с компьютером через COM порт.

P.S. Я создал блог DIY (http://habrahabr.ru/blogs/DIY/) и впредь все статьи из разряда «сделай сам» буду публиковать там.

P.P.S. Во избежание недоразумений поясняю. Часы эти делал лично я, и первоначально публиковал на своем портале licrym.org но решил перенести на самые лучшие и интересные статьи со своего портала на хабрахабр.