Схема и программа очень простых часов на микроконтроллере AVR с использованием микросхемы реального времени DS1307

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ “

Сегодня, уважаемые радиолюбители, вашему вниманию предлагается очень простая схема часов на микроконтроллере AVR и часов реального времени с последовательным интерфейсом I2C DS1307 .

Конструкция собрана на микроконтроллере ATyni26 (просто именно этот МК был под рукой). Но вы можете применить любой другой МК, главное чтобы у него было 13 свободных входов – 11 для вывода текущего времени на четырехразрядный семисегментный светодиодный индикатор и 2 вывода – на кнопки установки и коррекции времени.

Схема часов:

В схеме применены следующие детали:
- Микроконтроллер – ATyni26 в DID корпусе
– Часы реального времени – DS1307 в DIP корпусе
– Кварц – 32,768 кГц, с входной емкостью 12 пф (можно взять с материнской платы компьютера), от этого кварца зависит точность хода часов
– резервное питание DS1307 – 3 вольтовый литиевый элемент CR2032
– 4-разрядный семисегментный светодиодный индикатор – FYQ-5641UB -21 с общим катодом (ультраяркий, голубого цвета свечения)
– все транзисторы – NPN-структуры, можно применить любые (КТ3102, КТ315 и их зарубежные аналоги), я применил ВС547С
– микросхемный стабилизатор напряжения типа 7805
– все резисторы мощностью 0,25 ватт
– полярные конденсаторы на рабочее напряжение 50 вольт
Ток потребления устройством составляет до 30 мА.
Для питания конструкции можно использовать любое ненужное зарядное устройство от телефона или подходящий блок питания с выходным напряжением 7-9 вольт.
Общение микроконтроллера с часами DS1307 происходит по шине I2C и организовано программным путем.
Батарейку резервного питания часов DS1307 можно и не ставить, но в этом случае, при пропадании напряжения в сети, текущее время придется устанавливать заново.
Печатная плата устройства не приводится, конструкция была собрана в корпусе от неисправных механических часов. Светодиод (с частотой мигания 1 Гц) служит для разделения часов и минут в конструкции.

Работа программы.
Тактовая частота работы микроконтроллера – 1 мГц (заводская установка, FUSE-биты трогать и устанавливать не надо). Размер программы – 1 килобайт.
При запуске программы происходит:
- запуск таймера Т0 с предустановленной частотой СК/8 и вызовом прерывания по переполнению (при такой предустановленной частоте вызов прерывания происходит каждые 2 миллисекунды)
– инициализация портов (порты РА0-6 и РВ0-3 настраиваются на вывод, РА7 и РВ6 на ввод)
– инициализация шины I2C (выводы РВ4 и РВ5)
– при первом запуске, или повторном запуске при отсутствии резервного питания DS307, проверяется 7 бит (СН) нулевого регистра DS1307 и происходит переход в первоначальную установку текущего времени. При этом, кнопка S1 – для установки времени, кнопка S2 – переход к следующему разряду. Установленное время – часы и минуты записываются в DS1307 (секунды устанавливаются в ноль), а также вывод SQW/OUT (7-й вывод) настраивается на генерацию прямоугольных импульсов с частотой 1 Гц
– разрешается глобальное прерывание
– программа переходит в цикл с опросом копки S2
При переполнения счетчика таймера Т0 программа переходит к обслуживанию прерывания (каждые 2 мс):
– считывается текущее время с DS1307 которое записывается в четыре переменные SRAM (десятки часов, единицы часов, десятки минут, единицы минут)
– подпрограммой вывода текущего времени производится динамическая индикация текущего времени на светодиодном индикаторе
– при нажатии кнопки S2 программа запрещает глобальное прерывание и переходит в подпрограмму коррекции времени (кнопками S1 и S2 устанавливаются десятки и единицы минут, затем, с 0 секунд, нажатием кнопки S2 происходит запись уточненного времени в DS1307, разрешение глобального прерывания и возвращение в основную программу).

Примененные в схеме часы DS1307 позволяют выводить на индикацию секунды, минуты, часы, день недели, дату и год.
Если в схеме вместо светодиодных индикаторов применить LCD дисплей, к примеру WH0802 (двухстрочный, с выводом восьми символов в строке) или аналогичный, то можно организовать полноценные часы с полным выводом текущего времени, а питание устройства организовать от гальванических элементов или аккумуляторных батарей.

Расположение выводов микроконтроллера ATyni26:

Расположение выводов DS1307:

Типовая схема подключения D1307:

Недавно спаял схему электронных часов с будильником, выполненных на популярном среди радиолюбителей . В них используется светодиодный индикатор для отображения времени. Мне надоели всевозможные ЖКИ и хочется иметь возможность видеть время из любой точки комнаты в том числе в темноте, а не только прямо с хорошим освещением. Схема содержит минимум деталей и имеет отличную повторяемость.

Схема электронных часов на микроконтроллере

Микроконтроллер 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. 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 PIC16F628. 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 5 вольт. 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 примерно секунда.

Кнопкой "Коррекция " часы 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 память и восстанавливаются после выключения 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. Вот прошивка и рисунок платы часов.

Данные часы уже несколько раз обозревались, но я надеюсь, что мой обзор будет тоже Вам интересным. Добавил описание работы и инструкцию.

Конструктор покупался на ebay.com за 1.38 фунтов (0.99+0.39 доставка), что эквивалентно 2.16$. На момент покупки это самая низкая цена из всех предложенных.

Доставка заняла около 3х недель, набор пришел в обычном полиэтиленовом пакетике, который в свою очередь был упакован в небольшой «пупырчатый» пакет. На выводах индикатора был небольшой кусочек пенопласта, остальные детали были без какой либо защиты.

Из документации только небольшой листочек формата А5 со списком радиодеталей с одной стороны и принципиальной электрической схемой с другой.

1. Принципиальная электрическая схема, используемые детали и принцип работы

Основой или «сердцем» часов является 8-ми разрядный КМОП микроконтроллер AT89C2051-24PU оснащенный Flash программируемым и стираемым ПЗУ объемом 2кб.
Узел тактового генератора собран по схеме (рис.1) и состоит из кварцевого резонатора Y1 двух конденсаторов C2 и С3, которые образуют вместе параллельный колебательный контур.


Изменением емкости конденсаторов можно в небольших пределах изменять частоту тактового генератора и соответственно точность хода часов. На рисунке 2 показан вариант схемы тактового генератора с возможностью регулировки погрешности часов.

Узел начального сброса служит для установки внутренних регистров микроконтроллера в начальное состояние. Он служит для подачи после подключения питания на 1 вывод МК единичного импульса длительностью не менее 1 мкс (12 периодов тактовой частоты).
Состоит из RC цепочки, образуемой резистором R1 и конденсатором C1.

Схема ввода состоит из кнопок S1 и S2. Программно сделано так, что при одиночном нажатии любой из кнопок в динамике раздается одиночный сигнал, а при удержании двойной.

Модуль индикации собран на четырехразрядном семисегментном индикаторе с общим катодом DS1 и резистивной сборке PR1.
Резистивная сборка представляет собой набор резисторов в одном корпусе:


Звуковая часть схемы представляет собой схему собранную на резисторе R2 10кОм, pnp транзисторе Q1 SS8550(выполняющего роль усилителя) и пьезоэлемента LS1.

Питание подается через разъем J1 с подключенным параллельно сглаживающим конденсатором C4. Диапазон питающих напряжений от 3 до 6В.

2. Сборка конструктора

Сборка трудностей не вызвала, на плате подписано, куда какие детали паять.

Много картинок - сборка конструктора спрятана под спойлером

Я начал с панельки, так как она единственная не является радиодеталью:

Следующим шагом я припаял резисторы. Перепутать их невозможно, они оба на 10кОм:


После этого установил на плату соблюдая полярность электролитический конденсатор, резисторную сборку (также обращая внимание на первый вывод) и элементы тактового генератора - 2 конденсатора и кварцевый резонатор

Следующим шагом припаиваю кнопки и конденсатор фильтра питания:

После этого очередь за звуковым пьезоэлементом и транзистором. В транзисторе главное установить правильной стороной и не перепутать выводы:

В последнюю очередь припаиваю индикатор и разъем питания:

Подключаю к источнику напряжением 5В. Все работает!!!

3. Установка текущего времени, будильников и ежечасового сигнала.

После включения питания дисплей находится в режиме («ЧАСЫ: МИНУТЫ») и отображает время по умолчанию 12:59. Ежечасный звуковой сигнал включен. Оба будильника включены. Первый установлен на время срабатывания 13:01, а второй – 13:02.


При каждом кратковременном нажатии на кнопку S2 дисплей будет переключаться между режимами («ЧАСЫ: МИНУТЫ») и («МИНУТЫ: СЕКУНДЫ»).
При длительном нажатии кнопки S1 происходит вход в меню настроек, состоящее из 9 подменю, обозначенных буквами A, B, C, D, E, F, G, H, I. Подменю переключаются кнопкой S1, значения изменяются кнопкой S2. После подменю I следует выход из меню настроек.

А: Установка показаний часов текущего времени
При нажатии кнопки S2 значение часов изменяется от 0 до 23. После установки часов необходимо нажать S1 для перехода в подменю B.

B: Установка показаний минут текущего времени

C: Включение ежечасного звукового сигнала
По умолчанию включено (ON) – каждый час с 8:00 до 20:00 подается звуковой сигнал. При нажатии кнопки S2 значение изменяется между ON (Вкл.) и OFF (Выкл.). После установки значения необходимо нажать S1 для перехода в подменю D.

D: Включение\выключение первого будильника
По умолчанию будильник включен (ON). При нажатии кнопки S2 значение изменяется между ON (Вкл.) и OFF (Выкл.). После установки значения необходимо нажать S1 для перехода в следующее подменю. Если будильник выключен, то подменю E и F пропускаются.

E: Установка показаний часов первого будильника
При нажатии кнопки S2 значение часов изменяется от 0 до 23. После установки часов необходимо нажать S1 для перехода в подменю F.

F: Установка показаний минут первого будильника
При нажатии кнопки S2 значение минут изменяется от 0 до 59. После установки минут необходимо нажать S1 для перехода в подменю С.

G: Включение\выключение второго будильника
По умолчанию будильник включен (ON). При нажатии кнопки S2 значение изменяется между ON (Вкл.) и OFF (Выкл.). После установки значения необходимо нажать S1 для перехода в следующее подменю. Если будильник выключен, то подменю H и I пропускаются и происходит выход из меню настроек.

H: Установка показаний часов второго будильника
При нажатии кнопки S2 значение часов изменяется от 0 до 23. После установки часов необходимо нажать S1 для перехода в подменю I.

I: Установка показаний минут второго будильника
При нажатии кнопки S2 значение минут изменяется от 0 до 59. После установки минут необходимо нажать S1 для выхода из меню настроек.

Коррекция секунд
В режиме («МИНУТЫ: СЕКУНДЫ») необходимо удержать кнопку S2 для обнуления секунд. Далее коротким нажатием на кнопку S2 запустить отсчет секунд.

4. Общие впечатления от часов.

Плюсы:
+ Низкая цена
+ Легкая сборка, минимум деталей
+ Удовольствие от самостоятельной сборки
+ Достаточно низкая погрешность (у меня за сутки отстали на несколько секунд)

Минусы:
- После отключения питания не держит время
- Отсутствие какой либо документации, кроме схемы (данная статья частично решила этот минус)
- Прошивка в микроконтроллере защищена от считывания

5. Дополнительно:

1) На безграничных просторах интернета нашел инструкцию к этим часам на английском языке и перевел ее на русский. Скачать ее можно

Эта схема была опубликована еще в 2008 году, на сайте http://radiokot.ru/circuit/digital/home/33/ , и не смотря на явные схемотехнические ошибки - схема работает, многие за это время ее повторили, там же на сайте есть большая тема форума, где обсуждается это устройство. Кроме авторскйо прошивки, на форуме есть еще наборы прошивок. В том числе и для вариантов схемы при использовании различных индикаторов, как с собщим катодом, так и с общим анодом. Архив с проверенными прошивками и их исходными текстами в конце страницы.

Я вспомнил об этой схеме, когда мне потребовались простые "первичные часы". Схема была повторена в точности, с единственным изменением - вместо индикатора установлен разъем, к которому будет подключаться силовая часть "больших часов". Для того, чтобы убедиться в том, что часы работают - подключен первый, попавшийся под руку индикатор: XYLNH 420401B-0 - понятия не имею что эта надпись на корпусе означает, но индикатор по распиновке полностью совпадает с рекомендуемым авторм индикатором CC56-12SRWA, только синего свечения.

Управление часами очень простое: Кнопкой S2 устанавливают минуты, а кнопкой S3 - часы. Кнопка сброс (S1), позволяет установить время на полночь, иногда бывает полезно, хотя ее можно не устанавливать. Точка, разделяющая часы и минуты, моргает с частотой 1,25 Гц, то есть 0,4 секунды горит, 0,4 сек. нет.

В целом - схема работает. Но, если предполагается использовать ее так как она есть, то я бы все-таки посоветовал увеличил сопротивление резисторов R4-R11 до, хотя бы 330 Ом, и поставил бы транзисторы в цепь управления катодами. ATtini2313 процессор конечно живучий, но думаю не следует его мучать в таком режиме.

И пару слов о программировании МК. Я использовал программатор Программатор AVR ISP mkII с программой AVRDUDE_PROG 3.2

Урок 23

Часть 1

Собираем часы на DS1307 и LED индикаторе

Сегодня мы продолжим нашу работу с микросхемой, являющейся часами реального времени, начатую в , и , и попробуем теперь собрать на ней часы с применением не жидкокристаллического индикатора, а с применение индикатора светодиодного четырёхразрядного работающего по принципу динамической индикации. Всё мы это с вами проходили, индикацию также проходили, подобный индикатор подключали в , поэтому нам будет не так сложно это реализовать.

Но, несмотря на все наши знания урок не обещает быть коротким, а наоборот будет очень обширным, так как сборка часов на таких индикаторах требует решение очень многих дополнительных задач особенно потому, что у нас не 32 знакоместа, как на нашем LCD, а всего 4 и точка или двоеточие. И все показания надо выводить будет в порядке определённой очереди, а также потребует от нас умения организовать изменение показаний (перевода) с помощью кнопок, а может быть вообще с помощью одной только кнопки в рамках использования всего четырех цифр.

Но мы не боимся трудностей, с ними даже интереснее.

Поэтому начнём что-нибудь выдумывать.

Индикатор будет вот такого вот типа, из них именно типа с общим анода

А вот так индикатор выглядит вживую

Судя по клеточкам размером 5 милиметров несложно оценить его размеры.

Вот его вид с обратной стороны

Также у меня есть ещё один индикатор меньшим размером, но по распиновке точь в точь такой же как и предыдущий. То есть я просто вынимаю из макетной платы и вставляю в него другой, и всё работает.

Вот они оба для сравнения

Вот маркировка маленького индикатора

Также мы можем использовать раздельные индикаторы для каждой цифры, подключив их соответствующим образом, результат будет тот же. Данный тип подключения обычно используется, когда требуются часы с большими цифрами и тяжело найти совмещённый индикатор больших размеров. Способ подключения наглядно демонстрируеся в нашей схеме в протеусе, так как я нашёл в протеусе и совмещённый индикатор, но он у меня, почему-то должным образом не заработал (нажмите на картинку для увеличения изображения)

Данную схему мы хорошо помним из урока по . Только там было всего 2 индикатора, поэтому подключим ещё два, также будут использованы ещё два транзисторных ключа, на базу которых пойдут команды через токоограничивающие резистора на 2 килоома от ножек портов PB2 и PB4 . Третью ножку порта B мы пропустим в целях её дальнейшего использования в другом альтернативном качестве, в качестве ножки аппаратного ШИМ для регулировки яркости свечения индикатора.

Создадим проект с именем MyClock1307LED , а код весь в главный модуль возьмём как раз из урока по динамической индикации, из проекта Test08 . В ту пору у нас пока не было модульного программирования и весь полезный код содержался в одном главном модуле.

Для начала соберём наш проект, подключим контроллер и его прошьём и посмотрим для интереса результат работы кода

Мы видим что два правых индикатора у нас нормально работают. Но нам нужно четыре.

Для начала для этого мы добавим ещё две переменные для двух неиспользуемых разрядов

unsigned int i ;

unsigned char R1 =0, R2 =0, R3 =0, R4 =0 ; //цифры разрядов индикатора

Объявим ещё соответствующие данным анодам ножки порта на выход в функции port_ini(), также включая и ножку для ШИМ

DDRB = 0b000111 11;

Также добавим код в функцию ledprint

void ledprint ( unsigned int number )

R1 = number %10;

R2 = number %100/10;

R3 = number %1000/100;

R4 = number /1000;

У нас тут ещё вычисляется результат цифр недостающих, так же во втором разряде произошли некоторые изменения в силу того. что он теперь не последний, и надо сотни и тысячи отбросить.

Переменные мы рассчитали, осталось их как-то отобразить на индикаторе.

Для этого мы изменим код в обработчике прерывания от таймера

ISR ( TIMER1_COMPA_vect )

if ( n_count ==0) { PORTB &=~(1<< PORTB0 ); PORTB |=(1<< PORTB1 )|(1<< PORTB2 )|(1<< PORTB4 ); segchar ( R1 );}

if ( n_count ==1) { PORTB &=~(1<< PORTB1 ); PORTB |=(1<< PORTB0 )|(1<< PORTB2 )|(1<< PORTB4 ); segchar ( R2 );}

if ( n_count ==2) { PORTB &=~(1<< PORTB2 ); PORTB |=(1<< PORTB0 )|(1<< PORTB1 )|(1<< PORTB4 ); segchar ( R3 );}

if ( n_count ==3) { PORTB &=~(1<< PORTB4 ); PORTB |=(1<< PORTB0 )|(1<< PORTB1 )|(1<< PORTB2 ); segchar ( R4 );}

N_count ++;

If ( n_count >3 ) n_count =0;

Тут, я думаю также всё понятно, мы подаём логический ноль на ключевой транзистор нужного нам разряда, так как мы знаем, что ключи у нас инверсные и с другой строны будет единица, а также подаём логические единицы на ключевые транзисторы тех разрядов, которые в данный момент светиться не должны, также мы считаем не до одного, а до трёх.

С этим всё.

Но, так как у нас теперь количество индикаторов увеличилось, теперь очередь до того же индикатора доходит позже, то есть скорость обнолвения показаний одного индикатора у нас упала, и мы должны немного перенастроить таймер. Как это делать, нас учить не надо

OCR1AH = 0b00001111 ; //записываем в регистр число для сравнения

OCR1AL =0b01000010 ;

Ну и сделаем возможность нашему счётчику считать не до 99, а до 9999 для этого в цикле мы напишем не 100, а 10000

for ( i =0; i < 10000 ; i ++)

И также уменьшим задержку, иначе с такой скоростью мы четвёртой цифры долго не дождёмся

Delay_ms (10 );

Соберём код, прошьём контроллер и посмотрим результат нашей работы

Вот теперь другое дело. У нас теперь есть рабочий код для организации динамической индикации четырёхразрядного динамического индикатора, поэтому в следующей части нашего занятия нам к этому вопросу уже больше возвращаться не придется.

5 542