Концепция часов с большими цифрами

Конструктивно девайс будет состоять из двух плат – одна над другой. Первая плата – матрица светодиодов, образующих разряды часов и минут, Вторая – силовая часть (управление светодиодами), логика и питание. Такая конструкция сделает часики более компактным (без корпуса примерно 22см х 9 см, толщиной сантиметра 4-5) + даст возможность прикрутить матрицу к другому проекту, если что то пойдет не так.

Силовая часть будет построена на базе драйвера UL2003 и транзисторных ключах. Логическая - на Atmega8 и DS1307. Питание: 220В - трансформатор; логика 5В (через 7805), силовая часть - 12В (через LM2576ADJ). Отделено будет предусмотрена кроватка для батарейки 3В для автономного питания часов реального времени - DS1307.

Думаю использовать Atmega8 и DS1307 (часики планирую подвесить под потолком, и что бы в случае пропадания электричества каждый раз не лазить за настройкой), однако разводка платы будет предполагать возможность работы девайса и без DS1307 (на первое время, а может и навсегда – уж как получится).

Таким образом, в зависимости от комплектации алгоритм работы программы часов будет следующим:

Atmega8 – счетчик времени по таймеру. Работа в цикле без пауз: опрос клавиатуры, корректировка времени (если необходимо), отображение 4 разрядов и разделителя.

Atmega8 + DS1307 . Работа в цикле без пауз: опрос клавиатуры, корректировка времени DS1307 (если необходимо), зачитка времени с DS1307, отображение 4 разрядов и разделителя. Или другой вариант – зачитка с DS1307 по таймеру, остальное в цикле (пока не знаю как лучше).

Сегмент представляет собой 4 красных светодиода, соединенных между собой последовательно. Одна цифра – 7 сегментов с общим анодом. Сегменты не планирую разделять шаблоном «восьмерки», как это сделано в обычных индикаторах.

Силовая часть часов

Силовая часть часов построена на драйвере UL2003 и транзисторных ключах VT1 и VT2.

UL2003 отвечает за управление сегментами индикатора, ключи – за управление разрядами.

Отдельно управляется разделитель часов и минут (сигнал K8).

Управление сегментами, разрядами и разделителем осуществляется от микроконтроллера подачей положительного потенциала (т.е. подачей +5В) на К1-К8, Z1-Z4.

Подача сигналов на сегменты и разряды должна осуществляться синхронно и с определенной частотой, для того, что бы обеспечить динамический вывод информации (часов и минут).

В качестве транзистора VT1 (BCP53) можно использовать транзистор BCP52.

Схема силовой части часов с большими цифрами

Печатная плата семисегментного индикатора для часов с большими цифрами

Как я говорил ранее, конструктивно часы будут состоять из двух печатных плат - плата индикатора + логика и силовая часть.

Начнем с разработки и изготовления печатной платы индикатора.

Разработка печатной платы семисегментного индикатора для часов с большими цифрами

Печатная плата семисегментного индикатора для часов с большими цифрами в формате "lay" находится конце статьи, в присоединенных файлах. О технологии изготовления печатных плат методом ЛУТ можно почитать .

Если вы сделали все правильно, готовая печатная плата будет выглядеть примерно так.

Готовая печатная плата семисегментного индикатора для часов с большими цифрами

Сборка семисегментного индикатора

Поскольку плата индикатора является двухсторонней, первое, что надо сделать это выполнить межслоевые переходы. Я делаю это с помощью ножек ненужных деталей - продеваю их в отверстия и припаиваю с двух сторон. Когда все переходы выполнены, зачищаю их плоским мелким напильником - получается очень аккуратно и симпатично.

Межслоевые переходы на плате индикатора

Следующий шаг, собственно говоря, сборка индикатора. Для чего нам понадобится пачка красных (зеленых, белых, синих) светодиодов. Я, например, брал эти.

Подготовка к сборке индикатора

При установке диодов не забываем, что мы делаем индикатор с общим анодом - т.е. "+" диодов должны быть соединены вместе. Общие аноды на печатной плате - это большие фрагменты меди. Обязательно обратите внимание на анод разделительной точки.

Расположение анодов на печатной плате индикатора

В итоге, после 2 часов кропотливой работы должно получиться вот что:

Семисегментный индикатор

Цифровая часть часов

Цифровую часть часов с большими цифрами будем собирать по схеме:

Схема часов с большими цифрами

Схема часов довольно прозрачна, поэтому объяснять как она работает не вижу смысла. Печатную плату в формате *.lay можно скачать в конце статьи. Замечу, что печатная плата в основном разработана под детали для поверхностного монтажа.

Итак, элементная база, которую использовал я:

1. Диодный мост DFA028 (подойдет любой компактный для поверхностного монтажа);
2. Регуляторы напряжения LM2576ADJ в корпусе D2PAK, 78M05 в корпусе HSOP3-P-2.30A;
3. Транзисторные ключи BCP53 (корпус SOT223) и BC847 (корпус SOT23);
4. Микроконтроллер Atmega8 (TQFP);
5. Часы реального времени DS1307 (SO8);
6. Блок питания 14В 1,2А от какого-то старого устройства;
7. Остальные детали - любого типа, подходящие по размерам для установки на печатную плату.

Разумеется, если вы хотите применить другие корпуса деталей, вам потребуется внести некоторые изменения в печатную плату.

Обратите внимание на номиналы сопротивлений R3 и R4 - они должны быть именно такими, какие указаны на схеме - не больше не меньше. Это сделано для того, что бы обеспечить на выходе регулятора напряжения LM2576ADJ ровно 12В. Если все таки не удастся найти такие номиналы резисторов, то значение сопротивления R4 может быть рассчитано по формуле:

R4=R3(12/1.23-1) или R4=8.76R3

Сборка цифровой части. Версия 1, без DS1307

Если при изготовлении печатной платы часов вы придерживались рекомендаций, изложенных в , то тогда вам излишне напоминать, что перед сборкой печатная плата должна быть просверлена, все видимые короткие замыкания на ней устранены, а плата покрыта жидкой канифолью? Тогда приступаем к сборке часов.

Я рекомендую начать со сборки блока питания и только за тем выполнить монтаж цифровой части. Это общая рекомендация по самостоятельной сборке девайсов. Почему? Просто потому, что если блок питания собран с ошибкой можно пожечь всю низковольтную электронику, которая должна питаться этим блоком питания.

Если все сделано правильно - блок питания должен заработать сразу. Проверяем сборку блока питания - замеряем напряжение в контрольных точках.

На рисунке показаны контрольные точки, в которых следует проверить напряжение питания. Если напряжение соответствует заявленному, можно приступать к сборке цифровой части часов. Иначе проверяем монтаж и работоспособность элементов блока питания.

Контрольные точки и значения напряжений для блока питания часов

После того, как проверка блока питания выполнена приступаем к сборке цифровой части часов - устанавливаем все остальные элементы на печатную плату. Проверяем на КЗ, особенно в ногах микроконтроллера Atmega и драйвера UL2003.

Монтаж цифровой части часов

Обратите внимание на то, что сборку часов мы выполняем БЕЗ установки часов реального времени DS1307, однако вся обвязка этой микросхемы должна быть выполнена. В будущем, если возникнет необходимость, это сэкономит нам время на доработку часов под вторую версию, там где все таки будут использоваться отдельные, независимые часы реального времени на DS1307.

Предварительная проверка микроконтроллера ATMEGA8

Для того, что бы проверить правильность и работоспособность микроконтроллера нам потребуется:

1. Программатор, например .
2. для внутрисхемного программирования микроконтроллера.
3. Программа AVRDUDESHELL.

Подключаем плату часов к дата-кабелю. Дата-кабель подключаем к программатору. Программатор к компьютеру, на котором установлена программа AVRDUDESHELL. Подключать плату часов к питающей сети 220В не следует.

Удачное чтение данных с микроконтроллера программой AVRDUDESHELL

Если при чтении фьюзов возникла проблемы - проверяйте монтаж - возможно где то есть короткое замыкание или "непропай". Еще один совет - возможно микроконтроллер находится в режиме низкоскоростного программирования, тогда достаточно переключить программатор в этот режим (

С динамической индикацией. По работе часов претензий нет: точный ход, удобные настройки. Но один большой минус - в дневное время плохо видно светодиодные индикаторы. Для решени проблемы перешёл на статическую индикацию и более яркие светодиоды. Как всегда в программном обеспечение огромное спасибо Soir. В общем предлагаю вашему вниманию большие уличные часы со статической индикацией, функции настройки остались как и в прежних часах.

В них два дисплея - основной (снаружи на улице) и вспомогательный на индикаторах - в помещении, на корпусе прибора. Высокая яркость достигается применением ультраярких светодиодов , с рабочим током 50мА, и микросхем-драйверов .

Схема электронных часов для улицы на ярких светодиодах

Для прошивки контроллера с файлами и используйте следующие настроки фузов:

Печатные платы часов, блока управления и внешнего модуля, в формате LAY, .

Особенности данной схемы часов:

- Формат отображения времени 24-х часовый.
- Цифровая коррекция точности хода.
- Встроенный контроль основного источника питания.
- Энергонезависимая память микроконтроллера.
- Имеется термометр, измеряющий температуру в диапазоне -55 - 125 градусов.
- Возможен поочередный вывод информации о времени и температуре на индикатор.

Нажатие на кнопку SET_TIME переводит индикатор по кругу из основного режима часов (отображение текущего времени). Во всех режимах удержанием кнопок PLUS/MINUS производится ускоренная установка. Изменения настроек через 10 секунд от последнего изменения значения запишутся в энергонезависимую память (EEPROM) и будут считаны оттуда при повторном включении питания.

Ещё один большой плюс предложенного варианта - изменилась яркость, теперь в солнечную погоду яркость прекрасная. Уменьшилась количество проводов с 14 до 5. Длина провода до основного (уличного) дисплея - 20 метров. Работой электронных часов доволен, получились полнофункциональные часы - и днем, и ночью. С Уважением, Soir–Александрович.

В продаже можно встретить много различных моделей и вариантов электронных цифровых часов, но большинство из них расчитаны на использование внутри помещений, так как цифры маленькие. Однако иногда требуется разместить часы на улице - например на стене дома, или на стадионе, площади, то есть там, где они будут видны на большом расстоянии многими людьми. Для этого и была разработана и успешно собрана данная схема больших светодиодных часов, к которым можно подключить (через внутренние транзисторные ключи) LED индикаторы сколь угодно большого размера. Увеличить принципиальную схему можно кликнув по ней:

Описание работы часов

1. Часы. В данном режиме идёт стандартный вид отображения времени. Имеется цифровая коррекция точности хода часов.
2. Термометр. В этом случае устройство производит измерение температуры комнаты либо воздуха на улице, с одного датчика. Диапазон от -55 до +125 градусов.
3. Предусмотрен контроль источника питания.
4. Вывод информации на индикатор попеременно - часов и термометра.
5. Для сохранения настроек и установок при пропадании 220В, применена энергонезависимая память.

Основой устройства является МК ATMega8, который прошивают выставляя фузы согласно таблице:

Работа и управление часами

Включив часы в первый раз, на экране появится рекламная заставка, после чего переключится на отображение времени. Нажимая на кнопку SET_TIME индикатор пойдёт по кругу из основного режима:

• режим отображения минут и секунд. Если в этом режиме одновременно нажать на кнопку PLUS и MINUS , то произойдет обнуление секунд;
• установка минут текущего времени;
• установка часов текущего времени;
• символ t . Настройка продолжительности отображения часов;
• символ o . Время отображения символов индикации внешней температуры (out);
• величина ежесуточной коррекции точности хода часов. Символ c и значение коррекции. Пределы установки от -25 до 25 сек. Выбранная величина будет ежесуточно в 0 часов 0 минут и 30 секунд прибавлена или вычтена из текущего времени. Более подробно читайте в инструкции, что в архиве с файлами прошивки и печатных плат.

Настройка часов

Удерживая кнопки PLUS /MINUS делаем ускоренную установку значений. После изменения каких-либо настроек, через 10 секунд новые значения запишутся в энергонезависимую память и будут считаны оттуда при повторном включении питания. Новые настройки вступают в силу по ходу установки. Микроконтроллер отслеживает наличие основного питания. При его отключении питание прибора осуществляется от внутреннего источника. Схема резервного модуля питания показана ниже:

Для уменьшения тока потребления отключаются индикатор, датчики и кнопки, но сами часы продолжают отсчитывать время. Как только напряжение сети 220В появится - все функции индикации восстанавливаются.

Так как устройство задумывалось как большие светодиодные часы, в них есть два дисплея: большой светодиодный - для улицы, и маленький ЖКИ - для удобства настройки основного дисплея. Большой дисплей расположен на расстоянии несколько метров от блока управления и соединен двумя кабелями по 8 проводов. В управление анодами внешнего индикатора индикаторов, применены транзисторные ключи по приведенной в архиве схеме. Авторы проекта: Александрович & SOIR.

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.

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.