Часы из светодиодов своими руками. Светодиодные часы своими руками: как сделать стильные и функциональные часы на LED-матрицах — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как сделать оригинальные светодиодные часы своими руками. Какие преимущества у LED-часов. Какие материалы и компоненты потребуются. Как собрать электронную схему часов на светодиодных матрицах. Как запрограммировать микроконтроллер для управления часами. Как оформить корпус светодиодных часов.

Содержание

Преимущества светодиодных часов

Светодиодные часы обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными аналоговыми или цифровыми часами:

Яркая и четкая индикация времени даже в темноте
Возможность настройки яркости и цвета подсветки
Оригинальный современный дизайн
Низкое энергопотребление
Долговечность светодиодов (срок службы до 100 000 часов)
Возможность отображения дополнительной информации (дата, температура и т.д.)
Простота изготовления своими руками

Благодаря этим достоинствам светодиодные часы становятся все более популярными как готовые устройства и как проекты для самостоятельной сборки.

Необходимые компоненты и материалы

Для изготовления светодиодных часов своими руками потребуются следующие основные компоненты:

Светодиодные матрицы или отдельные светодиоды
Микроконтроллер (например, ATmega328 или ESP8266)
Модуль часов реального времени DS3231
Кнопки для настройки часов
Резисторы, конденсаторы, транзисторы
Блок питания 5В
Макетная плата или печатная плата
Провода для соединений

Из материалов для корпуса часов могут понадобиться:

Фанера или оргстекло для основы
Рамка для картины подходящего размера
Тонированное стекло или пластик для передней панели
Саморезы, клей, наждачная бумага

Конкретный набор компонентов зависит от выбранной схемы и дизайна часов. Рассмотрим подробнее основные этапы сборки.

Выбор и подключение светодиодных матриц

Светодиодные матрицы являются ключевым элементом часов. Для их выбора важно учесть следующие параметры:

Размер матрицы (например, 8×8 или 16×16 светодиодов)
Цвет свечения (монохромные или RGB)
Тип управления (статическая или динамическая индикация)
Яркость и угол обзора светодиодов

Для часов среднего размера подойдут матрицы 8×32 или 16×32 светодиода. Их можно соединить в большой дисплей для отображения времени, даты и другой информации.

Подключение матриц к микроконтроллеру выполняется по стандартной схеме:

VCC матрицы — к питанию 5В
GND — к общему проводу
DIN — к выводу микроконтроллера для передачи данных
CS — к выводу для выбора устройства
CLK — к выводу для тактирования

При использовании нескольких матриц их соединяют последовательно, подключая выход DOUT одной матрицы ко входу DIN следующей.

Схема управления на микроконтроллере

Сердцем светодиодных часов является микроконтроллер, который выполняет следующие функции:

Отсчет текущего времени
Управление светодиодными матрицами
Обработка нажатий кнопок настройки
Хранение настроек в энергонезависимой памяти

Для реализации этих задач хорошо подходит популярный микроконтроллер ATmega328, используемый в платформе Arduino. Типовая схема на его основе включает:

Подключение матриц к выводам ввода-вывода через резисторы
Модуль часов реального времени DS3231 по шине I2C
Кнопки настройки с подтягивающими резисторами
Кварцевый резонатор 16 МГц
Конденсаторы для стабилизации питания

Для повышения функциональности можно добавить датчик температуры, фоторезистор для автояркости, Bluetooth-модуль для синхронизации времени и другие компоненты.

Программирование микроконтроллера

Программа для управления светодиодными часами должна выполнять следующие основные задачи:

Инициализация периферийных устройств (матриц, RTC и др.)
Считывание текущего времени с модуля RTC
Формирование изображения цифр на матрицах
Динамическая индикация для управления яркостью
Обработка нажатий кнопок для настройки
Сохранение настроек в EEPROM

Для программирования удобно использовать среду Arduino IDE и библиотеки для работы с матрицами (например, MD_MAX72xx) и RTC (RTClib). Базовый алгоритм работы часов можно представить так:

Инициализация устройств
В бесконечном цикле:
- Получение текущего времени
- Формирование изображения цифр
- Вывод на матрицы
- Проверка нажатия кнопок
- Обновление настроек при необходимости

При программировании важно оптимизировать код для плавного обновления индикации без мерцания.

Изготовление корпуса часов

Корпус светодиодных часов должен обеспечивать надежное крепление всех компонентов и привлекательный внешний вид. Популярные варианты оформления:

Деревянная рамка со стеклянной или акриловой передней панелью
Корпус из оргстекла или пластика с фрезерованными отверстиями
3D-печатный корпус индивидуальной формы
Встраивание матриц в готовые предметы интерьера

При изготовлении корпуса своими руками нужно предусмотреть:

Отверстия для кнопок настройки
Вентиляционные отверстия для охлаждения
Крепление печатной платы и блока питания
Кабельный ввод для шнура питания

Для улучшения внешнего вида можно использовать тонированное стекло, виниловую пленку или светофильтры перед матрицами.

Тестирование и настройка часов

После сборки часов необходимо выполнить их тщательное тестирование:

Проверка правильности отображения времени
Настройка яркости свечения матриц
Калибровка точности хода часов
Проверка работы кнопок настройки
Тест автоматической регулировки яркости

Для повышения точности хода можно использовать температурную компенсацию кварцевого генератора или периодическую синхронизацию с точным источником времени.

При необходимости в прошивку микроконтроллера вносятся корректировки для устранения выявленных недочетов. После настройки светодиодные часы готовы к использованию.

Дополнительные возможности и модификации

Базовую конструкцию светодиодных часов можно улучшить, добавив следующие функции:

Отображение даты, дня недели, температуры
Будильник со звуковой сигнализацией
Беспроводная синхронизация времени
Управление через смартфон по Bluetooth

Анимированная смена изображений
Вывод бегущей строки с сообщениями

Для расширения возможностей можно заменить микроконтроллер на более мощный, например ESP8266 или ESP32. Это позволит подключить часы к Wi-Fi и управлять ими удаленно.

Творческий подход к оформлению корпуса позволит создать действительно уникальные дизайнерские часы, которые станут стильным украшением интерьера.

что это и как сделать своими руками

Главная » Светодиоды » Матрицы

Преимущества светодиодов неоспоримы, сегодня они везде, в том числе и часах. Что представляют себя часы на светодиодных матрицах, о плюсах и недостатках разберем в рамках статьи. В конце статьи представлено подробное пошаговое руководство для изготовления устройства своими руками.

Что это такое

Часы на светодиодных матрицах — это электронные часы, в которых для индикации используются матрицы из множества светодиодов. Применение индикаторов другого типа — единственное их отличие.

Матрица — это набор светодиодов, собранных вместе в виде сетки с единым анодом или катодом. Как правило, разрешение таких индикаторов — количество точек по вертикали и горизонтали — 8×8.

Почему же такие часы набирают популярность, преимущества:

Цена. Светодиодные матрицы дешевле семисегментных индикаторов аналогичных размеров.
Яркость. Светодиоды горят ярче, чем семисегментные индикаторы, их лучше видно в местах, освещенных солнечными лучами. Многие производители также предусматривают конструктивную защиту диода от воздействия солнца.
Функциональность. При помощи матрицы из светодиодов можно выводить не только цифры, но также различные буквы, знаки препинания, символы. При помощи набора LED-матриц можно выводить некоторую информацию в виде бегущей строки.

Светодиодные матрицы имеют и недостатки:

Увеличенная сложность управления. Из-за большого количества элементов (в стандартной матрице их 64) управлять матричными индикаторами чем семисегментными. Для этого применяются микроконтроллеры, динамическая индикация и сдвиговые регистры.
Угол обзора. Особенность светодиодов состоит в том, что они фокусируют свет в одном направлении. Это приводит к тому, что изображение на светодиодной матрице видно хорошо только под определенным углом.
Непереносимость высоких температур. Нагревание снижает эффективность светодиодов и уменьшает срок службы.
Перегорание отдельных светодиодов приведет к эффекту «битого пикселя» и ухудшению качества изображения.

Самодельные часы на светодиодных матрицах

Несмотря на большую популярность часов на светодиодных матрицах, в Рунете не так уж и много схем для их самостоятельного изготовления. Рассмотрим самую популярную.

Необходимые навыки для сборки устройства:

изготовление печатных плат;
пайка элементов: схема предполагает SMD-исполнение, это значит, что элементы будут устанавливаться прямо на поверхность платы;
прошивка микроконтроллеров: в схеме используется МК ATMega16A;
программирование МК: это не обязательно, поскольку для данного устройства уже имеется прошивка контроллера. Этот навык пригодится, если вы захотите изменить режим работы часов или расширить их функционал, например, добавив дополнительные элементы такие, как датчики температуры или влажности.

Из инструментов понадобятся:

набор для изготовления плат;
программатор МК;
паяльник.

Рассмотрим подробнее схему устройства. Главным управляющим элементом является МК ATMega16A, он обеспечивает следующие возможности прибора:

Отсчет времени и календарь. Ведется даже при отключении питания.
Будильник. Здесь их 9 штук, можно запрограммировать на работу по дням недели.
Измерение температуры. Конструкция часов позволяет установить два датчика температуры для измерений в комнате и на улице.
Режим бегущей строки. Выдает следующую информацию: день недели, месяц, год, температура.
Коррекция хода часов.

Большая часть функций возложена на микроконтроллер, что позволяет максимально разгрузить схему и использовать минимальное количество элементов.

В устройстве используется лишь две микросхемы: микроконтроллер и сдвиговый регистр TPIC6B595, также можно подключить два датчика температуры DS18B20 — один уличный, и второй комнатный.

Для индикации используются три светодиодные матрицы 8×8. В качестве диода D1 лучше использовать диод Шоттки. Диод в схеме обеспечивает переход на аварийное питание, а диод Шоттки обладает наименьшим падением напряжения и высокой скоростью переключения.

Процесс изготовления:

Необходимо изготовить плату. Для этого потребуется: фольгированный текстолит, лазерный принтер, утюг и 150г хлористого железа. Сначала нужно распечатать чертеж платы на глянцевой бумаге с помощью лазерного принтера. Полученную распечатку следует приложить рисунком к текстолиту так, чтобы поверхность бумаги была ровной. Горячим утюгом нужно аккуратно провести по распечатке, чтобы не смять и не сместить её. Тонер расплавится и приклеит распечатку к текстолиту. Чтобы удалить бумагу, заготовку платы помещают в теплую воду. В результате мы получим чертеж платы, напечатанный на текстолите. Весь тонер должен быть перенесен на поверхность платы, в дорожках не должно быть разрывов. Теперь нужно протравить плату. Для этого заготовку на некоторое время помещают в раствор хлористого железа. Раствор готовится из расчета 150г порошка на 200мл воды. Плата будет готова, когда все лишнее медное покрытие растворится, и останутся лишь участки защищенные тонером. Протравленную плату нужно промыть в холодной воде. Тонер удаляется с помощью ацетона. Дорожки нужно покрыть припоем при помощи паяльника, площадки под SMD-элементы должны быть покрыты ровным слоем, без капель. Плата готова.
С помощью программатора нужно прошить микроконтроллер. Для прошивки контроллера ATMega16A нужен программатор и софт. Используем недорогой и удобный программатор USBasp и программу AVRdude с графической оболочкой для удобства работы. Для подключения МК к компьютеру нужно найти по документации ножки SCK, RESET, MOSI, MISO и соединить их с соответствующими ножками программатора. После этого программатор можно подключать к порту USB. В программе AVRdude следует выбрать тип микроконтроллера — Atmega16A, и прошивку. Чтобы прошить контроллер нужно нажать кнопку Write для записи. Микроконтроллер прошит.
Все элементы следует припаять к плате согласно схеме. На этом этапе нужно обратить внимание на правильное расположение микроконтроллера и аккуратно припаять его ножки так, чтобы случайно не замкнуть.
С лицевой стороны платы устанавливаются светодиодные индикаторы, чтобы получился цельный блок.
Полученную конструкцию можно поместить в какой-либо корпус, а индикаторы защитить при помощи стекла или прозрачного пластика. В зависимости от яркости светодиодов, можно выбрать затемненное защитное стекло — это улучшит читаемость.

О некоторых особенностях при сборке часов на светодиодной матрице с ATMega 16A доступно рассказывается в следующем видео.

Часы на светодиодных матрицах имеют много преимуществ перед приборами с другим типом индикации: дешевле, не засвечиваются солнцем, с их помощью можно вывести большее количество информации. Существует большое количество моделей часов на led матрицах, и каждый найдет для себя девайс с требуемым функционалом. Также такие часы несложно изготовить самому, как вы увидели из пошагового руководства выше, это не требует особенных инструментов или специальных навыков.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:

как сделать оригинальные светодиодные часы (75 фото)

Самый близкий всем символ вечности – часы. Они так настроены мастерами, что не возвращают нас назад, а считают секунды, минуты на будущее. Их носят на руках, в кармане, сумочке, они тикают дома на стене, тумбочке. О них спорят мудрецы, современные психологи, ну и владельцы: на какую руку надеть на работу, по этикету или для красоты?

Девушки чаще, чем юноши, заказывают эскизы часов на руке в виде тату. Интернет просто забит фото таких «часов» на любой вкус.

Краткое содержимое статьи:

Споры о часах
Стильные хронометры – элемент дизайна
Из дерева
Символы кухни
Ходики оживут
Запустим и другие хронометры
Фото часов своими руками

Споры о часах

Прежде чем подойти к теме изготовления нестандартных хронометров дома, несколько слов о спорах вокруг того, на каких руках носят часы мужчины и женщины.

Начнем с шутки: мужчины должны носить на правой руке, женщины – на левой, дамы в положении — в кармане, пенсионерам — все равно.

С изобретением часовой пружины хронометры стали носить на руке. Постоянно требовалось подзаводить её, а вращать головку можно только правой рукой. Многие часы сегодня тикают до года (на батарейке), и их носить можно на разных руках. И предпочтение – левой руке. Хотя о вкусах не спорят.

Но появились различные теории, например, активной руки: левши и правши. Каждому часы на такой руке будут мешать при работе.

А что мудрецы говорили? Древнейшие китайцы установили наличие энергетических мест на запястьях рук. Активируя их, можно либо улучшать состояние человека, либо ухудшать.

Одна из трех точек отвечает за сердце. Мужская находится на левой руке, а женская – на правой. Понятно, где кому носить часы.

Подтверждают эту теорию современные следователи-криминалисты: часы останавливаются в момент смерти преступника или потерпевшего. Сердце перестает биться — механизм замирает.

А теперь вернемся к теме часовщиков-самодельщиков и расскажем о лучших вариантах тикающих поделок. И проиллюстрируем многочисленными фото часов, изготовленных своими руками.

Стильные хронометры – элемент дизайна

Часы в интерьере пригодятся практически везде. Они нужны на кухне, в спальне, детской комнате, общей зале. Для каждого такого помещения можно изготовить «их» часы и вписать в интерьер: на кухне подчеркнуть её особенность циферблатным фоном из ложек и вилок, в спальне – с романтическим уклоном, в детской – украшенным элементами флоры или фауны.

Собственноручно создать оригинальный хронометр можно с использованием отремонтированных китайских часовых корпусов из переставших ходить часов, валявшихся в кладовке. На них только стрелки свои установить из чего пожелаете.

Материала полно там же или в гараже от ремонта квартиры, велосипедов, кухонных аксессуаров – то есть из всего хлама, выбросить который руки не дошли. Винил, еще не покоробившиеся куски фанеры и даже колеса подросткового «велика» пойдут в дело.

Также красивым будет циферблат, связанный из кружев, интересных страниц старых журналов, да и просто обычной бумаги в стиле квиллинга. Все просто, если задуматься над тем, как сделать часы своими руками.

Из дерева

Дерево — натуральный материал, традиционно используемый для десятков видов домашних поделок. Только один пример хронометра из него.

Вырезаете на ваш вкус форму циферблата из спила дерева с интересными возрастными кольцами или остатками сучков – круглую, овальную, ромбом или иную геометрическую фигуру. Оригинально будет смотреться деревянный циферблат наборный. Покажем на круглом фоне.

Кругов-спилов вырезаете два, оба идеально, первый диаметром 20 см, второй – 22. Первый должен быть из бревна светлого цвета, второй – из темного.

Со второго электролобзиком вырезаете двухсантиметровое кольцо. Отделываете обе части циферблата тонкой наждачной шкуркой, полируете, кольцо аккуратно надеваете на основу на клей, если ложится не очень плотно.

На кольцо крепите часовые цифры. Может сделать несколько колец также из разных пород дерева. Вешайте такой хронометр, где хотите.

Символы кухни

Основа циферблата любая, форма – круглая, диаметром не менее 30 см. Стрелки сами изготовьте из пластиковых вилок и ложек. В местах часовых отрезков плотно друг к другу укрепите круглые ячейки либо из колец из спила лобзиком, либо из мисочек игрового набора детской посуды.

В них разместите зерна кофе, риса, высушенного шиповника или боярышника, собственно, что есть под руками их пищевых продуктов. Заполните до краев и скрепите клеем.

Если такие часы намечаются не для кухни, то ячейки заполните разноцветными бусинками, шариками.

Ходики оживут

Такие часы с гирями для хода редко где увидите работающими. А найти на барахолке или даже в сараях бабушек и дедушек еще можно. Они просто заржавели от времени или их место более современные заняли.

Оживить их можно, обработав механизм антиржавчиной или смазав детали машинным маслом (не автомобильным!). Из них и делаем механические часы. Нужно вместо жестяного циферблата изготовить новый, на ваш вкус. Гирьки раскрасьте ярко.

Запустим и другие хронометры

С ходиками разобрались, как самостоятельно ремонтировать настенные часы? Можно оживить и китайские часовые механизмы на батарейках от замерших хронометров.

Многие буквально запаяны в пластик. На таких срежьте ножом часть, близкую к отсеку, где расположена батарейка. Откроется механизм. Если не видно заклинивания движущихся частей, достаточно обработать автоаэрозолью «ВД».

Она расслабляет любые соединения, а также размягчает ржавчину. Чаще других выходят из строя такие часы на кухне. Ведь газ при сгорании выделяет некий жировой налет. Достаточно смыть его в часовом механизме, и он снова заработает.

Фото часов своими руками

Также рекомендуем просмотреть:

Интерьер своими руками
Декор штор
Декор вазы
Элементы декора
Трафареты для декора
Свадебный декор
Декор стен
Покрывало своими руками
Панно своими руками
Камин своими руками
Рамка своими руками
Оригинальный декор своими руками
Арка своими руками
Полка своими руками
Декор кухни
Прихватки своими руками
Светильник своими руками
Стеллаж своими руками
Декор своими руками
Декор для дома
Декор комнаты
Декор бутылок
Декор мебели
Декупаж своими руками
Горшки для цветов своими руками
Свечи своими руками
Декор интерьера
Идеи для декора
Декор ванной
Настенный декор
Декор детской
Декор тортов
Декор гостиной своими руками
Аквариум своими руками
Коврики своими руками
Подставка своими руками

Сборка аналоговых светодиодных часов — Часть 1 Линии ввода-вывода.

Я сразу подумал, что хорошим применением этой техники было бы изготовление часов. Он будет иметь три круга по 60 светодиодов в каждом. Внешний круг светодиодов будет обозначать секунды, средний круг — минуты, а внутренний круг — часы. Хотя для отображения часов потребуется всего 12 светодиодов, я подумал, что было бы более симметрично, если бы я использовал 60 и увеличивал их каждые 12 минут. Я предполагал использовать светодиоды T1 (3 мм) и T1-3/4 (5 мм); светодиоды большего размера будут использоваться в каждой пятой позиции на каждой часовой отметке.

Часы никогда не были чем-то большим, чем идея в глубине моего сознания, пока я не решил сделать их для старшего проекта, чтобы получить степень в области электротехники.

Решения, Решения

Я хотел использовать микроконтроллер с наименьшим возможным количеством выводов. Я решил, что смогу управлять светодиодами с 14 контактами ввода-вывода, используя Charlieplexing (подробнее об этом позже). Еще два контакта ввода-вывода будут использоваться для чтения двух кнопок, используемых для установки часов.

Я уже выбрал микроконтроллер, который хотел использовать. Я много лет экспериментировал с продуктами Microchip, поэтому выбрал PIC16F627A. Это был 18-контактный контроллер с 16 линиями ввода-вывода — именно столько линий ввода-вывода, сколько мне было нужно.

Однако мой профессор настоял, чтобы я добавил функцию будильника. Теперь мне нужно было добавить зуммер для будильника и, возможно, еще пару кнопок для его установки. Кроме того, необходим еще один светодиод для индикации включения сигнализации.

Я решил включить еще один светодиод для индикатора PM, чтобы будильник, установленный, скажем, на 6:00, не звучал в 18:00. Затем я подумал, что буду запускать микроконтроллер с его внутренним генератором, который, вероятно, не был таким уж стабильным; часы не будут показывать точное время. Гораздо точнее было бы контролировать 60 Гц от электросети для временной базы (см. врезку). Сколько еще контактов ввода-вывода теперь потребуется?

Хотя у Microchip есть множество микроконтроллеров с более чем достаточным количеством выводов ввода-вывода для этого проекта, я действительно не хотел увеличивать количество выводов контроллера! Действительно ли можно было управлять 182 светодиодами и зуммером, а также контролировать четыре кнопки и частоту сети всего с 16 контактами ввода-вывода? Или моя гордость навлекла на меня неприятности (почему я не мог просто добавить несколько булавок)?

Зуммеру определенно нужна отдельная выделенная линия ввода/вывода. Для светодиодов потребуется 14 контактов ввода-вывода. Это оставило бы только один контакт для чтения кнопок и контроля частоты линии.

Мне пришла в голову пара идей. У меня было смутное представление о том, что я могу подключить кнопки и сигнал 60 Гц через сеть резисторов к контакту ввода-вывода. Аналоговый вход для обнаружения изменений напряжения может использоваться для интерпретации комбинации кнопок, нажимаемых в данный момент, и в то же время контролировать линию 60 Гц. Другая мысль заключалась в том, чтобы использовать четыре контакта ввода-вывода светодиодов для стробирования кнопок и, используя диоды для изоляции, соединить кнопки и 60 Гц вместе с выводом ввода-вывода.

Беглый взгляд на техническое описание PIC16F627A показал, что у него есть все необходимые функции для запуска часов. У него было 16 линий ввода-вывода с возможностью сильного тока для прямого управления светодиодами, внутренний генератор и возможность аналогового ввода. Если 1Кбайт памяти программ было недостаточно, можно было использовать либо PIC16F628A, либо PIC16F648A, которые имеют 2К или 4Кбайт памяти программ соответственно. В остальном они идентичны PIC16F627A.

Управление 182 светодиодами всего с 14 контактами ввода-вывода

Дополнительный привод светодиодов, также известный как Charlieplexing, позволяет управлять большим количеством светодиодов с относительно небольшим количеством контактов ввода-вывода, как упоминалось ранее. Charlieplexing назван в честь Чарли Аллена из Maxim Integrated.

Он использовал эту технику для создания микросхем драйверов светодиодов для Maxim в 1990-х годах ( www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/1880 ). Идея Чарлиплексирования проста: при каждой возможной комбинации двух портов ввода-вывода подключите между ними два светодиода, причем два светодиода будут параллельны и направлены в противоположные стороны.

Другой способ взглянуть на Чарлиплексирование — рассмотреть стандартную матрицу 4×4 светодиодов ( Рисунок 1 ).

РИСУНОК 1. Стандартная светодиодная матрица 4×4.

Имеется четыре строки и четыре столбца, для управления 16 светодиодами требуется восемь линий ввода-вывода. Вы заметите, что у каждого столбца есть токоограничивающий резистор. Чтобы зажечь светодиод, вы должны подать + 5 В на столбец и заземлить на ряд. На этом перекрестке загорится светодиод. Например, чтобы зажечь D7, вы должны подать + 5 В на столбец 3 (показан красным) и подать землю на ряд 2 (показан зеленым). В результате загорается D7.

Теперь предположим, что вы удалили диагональные светодиоды и на этих пересечениях соединили строки со столбцами. Теперь строки больше не нужны и их можно удалить. В результате 12 светодиодов подключены всего к четырем линиям ввода-вывода (, рис. 2, ). Это Чарлиплексинг.

Чтобы зажечь светодиод, вы должны подать +5 В на столбец, как и раньше, но заземление будет подаваться на другой столбец. Например, чтобы зажечь D7, вы должны подать +5 В на столбец 3 и землю на столбец 2. В результате загорится только D7. В этой конфигурации ток протекает через два резистора: R3 и R2. Светодиод будет иметь напряжение от 2 В до 2,4 В, в зависимости от светодиода и его характеристик. Следовательно, на резисторах R2 и R3 будет падение напряжения от 1,3 до 1,5 В.

Несмотря на то, что к D10 подключены питание и заземление, он имеет обратное смещение и не загорается. Имеются дополнительные пути тока прямого смещения; например, через D3 и D5. Однако на любом таком пути есть как минимум два светодиода. Поскольку D7 выдерживает падение не более 2,4 В, ни один другой светодиод в матрице не будет иметь напряжения более 1,2 В. Этого напряжения недостаточно для пробоя PN-перехода; следовательно, ток не будет течь, и никакие другие светодиоды не загорятся.

Важно, чтобы все остальные столбцы были плавающими; то есть они не подключены к +5В или земле. Это достигается путем перевода этих линий ввода-вывода микроконтроллера в их состояние ввода, что создает условия с высоким импедансом, чтобы они не потребляли и не получали никакого тока.

Как при заданном количестве линий ввода-вывода (N) рассчитать количество управляемых светодиодов? Рисунок 2 дает визуальное представление ответа.

РИСУНОК 2. Четырёхстрочная матрица Чарлиплекса.

Количество светодиодов, которые можно сложить по Чарли, равно N (количество строк) умножить на N (количество столбцов) минус N (количество удаленных диагональных светодиодов). В этом примере количество светодиодов, которыми могут управлять четыре контакта ввода-вывода, можно рассчитать следующим образом:

светодиода = ( N•N ) — N = (4•4) — 4 = 12 = ( N•N ) — N = (14•14) — 14 = 182

Именно столько светодиодов нам нужно для светодиодных часов!

В матрице Charlieplex одновременно может гореть только один светодиод. Чтобы создать иллюзию одновременного включения до пяти светодиодов, светодиоды загораются по одному в быстрой последовательности — достаточно быстро, чтобы человеческий глаз не мог различить мерцание. Я решил использовать светодиоды высокой интенсивности, так как каждый из них будет гореть примерно 20% времени.

Я решил построить меньшую схему из 12 светодиодов на макетной плате, чтобы протестировать концепцию и начать разработку программного обеспечения. Однако самой большой проблемой было выяснить, как считывать несколько кнопок и сигнал 60 Гц, используя только один контакт ввода-вывода.

Использование 60 Гц для хронометража

Мне часто задают вопрос: «Насколько точны 60 Гц от электроснабжения?» Простой ответ заключается в том, что он удивительно точен.

В 1920-х годах Лоренс Хаммонд изобрел электрические часы, приводимые в движение синхронным двигателем переменного тока. Он отсчитывал время, используя двигатель, синхронизированный с частотой 60 Гц, генерируемой коммунальными предприятиями. Он раздал сотни таких часов электростанциям в качестве стимула для поддержания постоянной частоты, что позволило использовать его недорогие часы в любой точке Северной Америки.

Хаммонд помог создать орган Хаммонда, который использовал синхронный двигатель переменного тока для привода генератора «тонового колеса», который создавал идеальную высоту звука для инструмента.

Почти все, что имеет часы и подключается к стене, использует для синхронизации 60 Гц. У меня на тумбочке стоит недорогой будильник, который при отключении питания гаснет дисплей, но держит время на батарейке. При подключении к сети часы показывают отличное время. Если я отключу его от сети и возьму с собой в поездку, когда через несколько часов доберусь до пункта назначения, часы неизменно отстают или отстают на несколько минут.

В 2010 году я сделал таймер обратного отсчета, который использовал 60 Гц от электросети в качестве базы времени. Я использовал часы, которые синхронизировались с атомными часами в Боулдере, штат Колорадо, чтобы проверить точность моего таймера. В то время я заметил, что таймер смещается на 5 или 10 секунд в течение дня. Я никогда не видел, чтобы он отставал более чем на 10 секунд, и он всегда возвращался к правильному времени примерно в одно и то же время каждый день.

С тех пор коммунальные предприятия стали менее требовательны к точности генерируемой частоты 60 Гц. Для поддержания точности производится корректировка частоты, известная как коррекция временных ошибок (TEC). Чем чаще будут производиться ТИКи, тем более точными будут часы, отсчитывающие на них свое время. Энергетические предприятия, используемые для обеспечения правильности общего количества циклов за 24 часа, используя ежедневные ТЭО. Теперь TEC создается, когда совокупная ошибка превышает определенный порог. В результате частота не такая точная, как раньше, но все же очень точная.

Я запускал таймер обратного отсчета, а также аналоговые светодиодные часы, периодически сверяя их друг с другом и с атомными часами. Спустя год таймер обратного отсчета и светодиодные часы идеально синхронизированы друг с другом (как и следовало ожидать), и оба на 24 секунды опережают атомные часы. Максимальное отклонение моего таймера и часов от атомного времени составляло 52 секунды. Я думаю, что любые часы, которые в течение года идут с точностью до минуты, очень точны.

К сожалению, в Северной Америке предпринимаются попытки отменить требования для TEC. Было подсчитано, что если бы TEC не были реализованы в 2016 году, часы, использующие эту частоту для своей базы времени, потеряли бы около семи минут в течение года. Все еще не так уж плохо; определенно намного лучше, чем часы в моей машине!

Специальное примечание:
Пожалуйста, имейте в виду, что где бы я ни упоминал 60 Гц, эта концепция будет одинаково хорошо работать в большинстве стран мира, где электроэнергия работает на частоте 50 Гц. Простое изменение кода будет соответствовать 50 Гц.

Подробнее о микроконтроллере PIC16F627A

PIC16F627A имеет 16 контактов ввода/вывода, но только 14 из них могут подавать и принимать ток. Один контакт (RA4) мог только потреблять ток, а оставшийся контакт (RA5) был только входом. Причина ограниченных возможностей RA4 и RA5 заключалась в том, что они одновременно использовались как контакты для программирования чипа. Это позволяет программисту манипулировать этими контактами без вмешательства работающей программы.

Поскольку все контакты в матрице Charlieplex должны быть способны подавать и потреблять ток, 14 контактов ввода-вывода, которые могли выполнять обе функции, должны были использоваться для светодиодов. Линия ввода-вывода, которая может потреблять только ток, будет работать для управления зуммером. Это оставило контакт только для ввода для чтения переключателей и 60 Гц. Все идет нормально.

Однако RA5 — контакт только для ввода — не имел аналоговых возможностей; его нельзя было подключить к внутреннему компаратору микросхемы. Мало того, что RA5 была просто входной линией, это была только цифровая входная линия. Поэтому моя первая идея использовать резисторную сеть для подачи переменного напряжения на входной контакт не сработала. Тем не менее, вторая идея со стробированием кнопок четырьмя светодиодными линиями может быть вполне оправдана.

Тестовая схема

Готовую тестовую схему можно увидеть на Рис. 3 .

РИСУНОК 3. Тестовая схема на макетной плате.

Для питания цепи я использовал настенную розетку с выходом переменного тока на девять вольт. Он подключается к J1 и J2 схемы, показанной на рис. 4 .

РИСУНОК 4. Схема тестовой схемы с блоком питания, микроконтроллером и светодиодами.

Я построил мостовой выпрямитель (D5-D8), затем стабилизатор +5 В (U1), а затем соответствующие фильтрующие конденсаторы (C1-C2) для создания источника питания. Затем 12-светодиодная матрица Charlieplex (DH00-DH03, DM00-DM03, DS00-DS03) была подключена к четырем контактам ввода-вывода через соответствующие токоограничивающие резисторы (R1-R4). Узлы, которые после токоограничивающих резисторов — СР01-СР04.

В тестовом коде микроконтроллер запускал последовательность этих 12 светодиодов — аналогичную той, которая будет использоваться для готовых часов, при этом каждый светодиод горит 20% времени. Я обнаружил пару вещей.

Во-первых, светодиоды Charlieplexing работают на удивление хорошо. Я ожидал увидеть небольшое количество света, исходящего от выключенных светодиодов, поскольку через них в любом случае будет течь небольшой ток. Даже в кромешной тьме с полностью закрытыми горящими светодиодами я не смог обнаружить никакого света, исходящего от негорящих светодиодов.

Во-вторых, я был удивлен, обнаружив, что для правильного баланса кажущейся яркости светодиодов светодиоды T1-3/4 (5 мм) должны быть более чем в два раза ярче, чем светодиоды T1 (3 мм). . Это имело смысл, когда я подсчитал, что большие светодиоды имеют площадь поперечного сечения примерно в 2,8 раза больше, чем меньшие. Оказалось, что очень хорошо работают маленькие светодиоды с яркостью от 250 до 310 мкд и большие светодиоды с яркостью от 680 до 700 мкд.

Давай пошумим

Затем я подключил зуммер (BZ1) между линией ввода-вывода и +5 В ( Рисунок 5 ). Я добавил 150 Ом (R9) последовательно для некоторого ограничения тока, так как зуммер был рассчитан на работу с тремя вольтами. Позже я определил, что 33 Ом было достаточно, и в итоге использовал два резистора по 75 Вт, включенных параллельно, для эквивалентного сопротивления 37,5 Ом.

РИСУНОК 5. Схема тестовой цепи с добавленным зуммером.

Было довольно просто заставить его гудеть вблизи его резонансной частоты 2 кГц. Я уже настроил прерывание на запуск каждые 256 мкс (о программном обеспечении я расскажу во второй части). Все, что мне нужно было сделать, это отключить выходную линию при одном прерывании, а затем освободить ее при следующем прерывании; это создало прямоугольную волну с периодом 512 мкс, или 1,953 Гц.

Вход 60 Гц

У меня возникла идея соединить каждую кнопку с линией в светодиодной матрице. Другая сторона кнопок и сигнал 60 Гц будут соединены вместе — добавление диодов последовательно для изоляции — к контакту только для ввода (RA5). К входной линии добавляется подтягивающий резистор к +5В.

Чтобы считать переключатели, я подтягивал линию к одному переключателю (в то время как все остальные светодиодные линии плавали в высокоимпедансном состоянии) и считывал результат на RA5.

Одна из проблем с этой схемой заключалась в том, что пока кнопка удерживалась нажатой, подтягивающий резистор подавал напряжение на светодиодную матрицу. Даже при достаточно высоком значении подтягивающего резистора это приведет к случайному свечению светодиодов.

Другая проблема, которую я быстро понял, заключалась в том, что, когда микроконтроллер удерживал одну из линий переключателя, ток проходил через светодиоды к другим линиям переключателя, фактически удерживая их частично в нажатом состоянии.

Другие линии не упадут на землю, но будут удерживаться на уровне около двух вольт или около того. Цифровой вход не смог бы надежно различить разницу; поэтому программное обеспечение не сможет определить, какие переключатели были активированы. Удерживание одной линии переключателя на низком уровне при удерживании трех других на высоком уровне предотвратило бы эту проблему, но было бы неприемлемо, поскольку это привело бы к включению светодиодов.

Стало очевидным, что необходимо использовать аналоговый вывод для кнопки ввода. Поэтому я решил выделить RA5 для мониторинга линии 60 Гц. Поскольку линия переменного тока колеблется далеко за пределами диапазона напряжения входного контакта, я добавил токоограничивающий резистор (R5).

Входной контакт RA5 имеет внутренний диод для фиксации входа на землю, но нет внутреннего диода для фиксации входа на +5В. Это связано с тем, что микросхема переводится в режим программирования путем поднятия этого вывода выше пяти вольт. Мне не хотелось, чтобы микросхема переходила в программный режим, поэтому я добавил D5, чтобы зажать вход на +5В ( Рисунок 6 ).

РИСУНОК 6. Схема тестовой цепи с добавленным входом переменного тока.

Тестирование

Тестовая схема работала так, как я и предполагал. Он запускал последовательность подсчета, аналогичную той, что будет работать в последних часах. Он реагировал на кнопки и мог издавать звуковой сигнал. Единственная проблема заключалась в том, что некоторые из светодиодов, которые должны были быть выключены, слабо светились.

Снял цепь кнопки, думал проблема в ней, но светодиоды продолжали светиться. Я удалил микроконтроллер и вручную включил различные светодиоды, и свечение исчезло. Я подумал, что свечение, вероятно, было вызвано либо ошибкой программирования, либо паразитной емкостью на макетной плате.

Даже если я не мог убрать свечение, оно было достаточно тусклым, чтобы быть едва заметным. На финальный круг!

Кнопки

Мне нужно было придумать способ считывания переключателей с помощью аналогового вывода. Разумеется, все аналоговые входные контакты использовались для управления светодиодной матрицей. Что бы я ни пробовал, либо загорались нежелательные светодиоды, либо не читалось состояние переключателей. Как раз когда я собирался использовать микроконтроллер с большим количеством контактов ввода-вывода, я наткнулся на решение!

Цепь кнопки была подключена к узлам CP01-CP04, которые стоят после токоограничивающих резисторов R1-R4 светодиода; см. Рисунок 7 .

РИСУНОК 7. Схема тестовой цепи с добавленными кнопками.

Делитель напряжения был создан с R6 и R7, который обеспечивает 2,5 В, которые подаются на CP04 через резистор R8. Кнопки S1-S3 были подключены к выходу делителя напряжения. Другая сторона кнопок была подключена к CP01-CP03 через диоды (D1-D3). Эти диоды изолируют CP01-CP03 друг от друга при одновременном нажатии более одной кнопки.

Как работает схема

Вспомним, что когда микроконтроллер управляет светодиодом, на каждом из двух задействованных токоограничивающих резисторов возникает падение не менее 1,3 В. Следовательно, ток в узле-приемнике будет не менее 1,3 вольт, а в узле-источнике тока — не более 3,7 вольт. Если CP04 не управляет светодиодом, он находится в состоянии высокого импеданса.

Следовательно, на CP04 появляется выход делителя напряжения 2,5 вольта. В этом случае напряжение на любом пораженном светодиоде в матрице не превысит 1,2 В (3,7–2,5 В или 2,5–1,3 В), что недостаточно для его включения.

Предположим, что S2 нажата, когда CP02 потребляет ток. Выходное напряжение делителя падает не менее чем до 2,0 В из-за падения 0,7 В на D2. Если CP04 находится в режиме высокого импеданса, это подаст 2,0 вольта в цепь Чарлиплекса в этой точке. Исходная линия Charlieplexed может давать падение до 1,7 В на светодиоде (3,7–2,0 В), в то время как отводящая линия может давать падение до 0,7 В (2,0–1,3 В) — ни того, ни другого недостаточно. чтобы включить светодиод.

Я обнаружил, что когда CP04 подает ток в матрицу, это приводит к увеличению выходного напряжения делителя напряжения с 2,5 В до 2,9 В.вольт. Предположим, что в это время нажимается кнопка S2. Ток может проходить через эту кнопку и D2 в матрицу на CP02. Из-за падения напряжения на D2 на 0,7 В в матрицу можно было бы поместить источник тока не более 2,2 В. Это даст не более 0,9 вольта на любой светодиод — опять же, намного ниже того, что требуется для его включения.

Когда CP04 используется для отвода тока в светодиодной матрице, выходное напряжение делителя напряжения падает примерно до 2,1 вольта. Если, например, нажата кнопка S2, D2 не позволяет этому напряжению обеспечить сток тока в матрицу. На CP02 появляется источник тока с напряжением 1,4 вольта, всего на 0,1 вольта выше линии, находящейся в низком уровне — определенно недостаточно для включения светодиода.

Таким образом, независимо от того, какой светодиод горит и какие кнопки нажаты, схема кнопок не может вызвать загорание других светодиодов в матрице.

Для определения состояния кнопки линия ввода-вывода для этой кнопки переводится в низкий уровень, а все остальные линии ввода-вывода в светодиодной матрице остаются в состоянии ввода с высоким импедансом.

Например, чтобы считать S1, CP01 (который подключен к S1 через D1) должен быть установлен на низкий уровень вывода. Если кнопка не нажата, 2,5 В с делителя напряжения через R8 подается на CP04. Светодиод DM03, катод которого подключен к CP01, а анод к CP04, вызовет падение выходного напряжения делителя до рабочего напряжения этого светодиода — между 2,0 В и 2,4 В.

Это напряжение появляется на микроконтроллере на RA2 через R4. Ток, проходящий через DM03, сильно ограничен резисторами R6 и R8, и, поскольку кнопка считывается за несколько микросекунд, через светодиод будет протекать ток, недостаточный для того, чтобы он светился для человеческого глаза.

Если нажать S1, ток через D1 заставит выход делителя напряжения упасть до 0,7 вольт. Это напряжение проходит через R8 и R4 и появляется на RA2. Итак, чтобы определить, нажата ли кнопка, микроконтроллер переводит линию ввода-вывода этой кнопки в низкий уровень, а затем смотрит на результирующее напряжение на RA2.

Если около 0,7 вольта, то кнопка нажата; если два и более вольта, то нет. Каждая кнопка считывается по одной, переводя линию этой кнопки в низкий уровень, в то время как другие линии Charlieplexed остаются в состоянии высокого импеданса.

Микроконтроллер имеет встроенный компаратор и встроенный программируемый источник опорного напряжения, который можно использовать для обнаружения небольших изменений напряжения. Я запрограммировал микроконтроллер так, что RA2 подключен к инвертирующему (-) входу компаратора, а неинвертирующий (+) вход подключен к программируемому опорному напряжению. Я установил опорное напряжение на 1,042 В.

Если кнопка нажата, напряжение на контакте ввода-вывода составляет 0,7 В, и на выходе компаратора появляется высокий уровень. Если кнопка не нажата, входное напряжение составляет не менее 2,0 В, а выход компаратора становится низким. Выход компаратора считывается микроконтроллером как 1 или 0.

Время вышло

На этом первая часть заканчивается. Во второй части мы закончим схему, изготовим печатную плату, создадим часы и посмотрим, как работает программное обеспечение. Тем временем вы можете найти исходные файлы программного обеспечения с загрузками статей, если хотите заглянуть. Увидимся в следующий раз! NV

Комплект можно приобрести в интернет-магазине Nuts & Volts по адресу https://store.nutsvolts. com/project-kits/sku15871 .

Загрузки

201803-Gill.zip

Что в архиве?
Файлы печатных плат
Код

201803-Gill-Manual.zip

Что в почтовом индексе?
Руководство по сборке

Купить Цифровые электронные часы AT89C2051, 4-разрядный набор для самостоятельной сборки онлайн в Индии

Особенности:

Напряжение питания: 3В-6В
Размер печатной платы: 52 мм * ширина 42 мм

Функция:

Секундная коррекция (для точной школы)
Переключиться на ежеминутный независимый интерфейс дисплея
Весь момент времени (звонок с 8 до 20 можно отключить)
Две настройки будильника (вы можете отключить функцию будильника)

Характеристики комплекта:

0,56-дюймовые специальные красные цифровые часы для дисплея
Импорт AT89C2051 для мастер-чипа
Печатная плата толщиной 1,2 мм изготовлена из армейской платы FR-4