Часы на микроконтроллере • HamRadio
от Foxiss
Часы на микроконтроллере схема часов изображена на рисунке.
Эти часы можно использовать где угодно даже в автомобиле. Они собраны на микроконтроллере PIC16F628A (DD1) и светодиодном индикаторе CA56-11YWA (HG1). Тактовый генератор микроконтроллера работает на частоте 32768 Гц, стабилизированной «часовым» кварцевым резонатором ZQ1. Для уменьшения числа деталей катоды элементов индикатора подключены к порту В микроконтроллера через токоограничительные резисторы R7— R14 без дополнительных усилителей. К выводам RAO—RA3 через эмиттерные повторители на транзисторах VT2—VT5 подключены аноды разрядов индикатора. Кнопки SB1—SB3, предназначенные для установки точного времени, гоже подключены к выводам RA1—RA3. Последовательно с кнопками SB2 и SB3 установлены резисторы R3 и R4, защищающие порт А микроконтроллера от повреждения при случайном одновременном нажатии на две кнопки.
Поскольку светодиодный индикатор потребляет довольно значительный ток (до 70 мА), предусмотрена возможность отключения индикации. Она будет выключена при высоком уровне напряжения на входе RA5 микроконтроллера. В этом режиме потребляемый часами ток не превысит 4 мА. Уровнем напряжения на входе RA5 управляет ключ на транзисторе VT1. На базу этого транзистора через резистор R2 подают напряжение с вывода «АСС» замка зажигания. Когда зажигание выключено и напряжение на этом выводе нулевое, транзистор VT1 закрыт, индикация отключена.
Часы на микроконтроллере собраны на печатной плате из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита. Чертёж платы изображён на рисунке, и расположение элементов на ней. Для уменьшения габаритов в часах использованы резисторы типоразмера 1206 для поверхностного монтажа, интегральный стабилизатор напряжения в корпусе DPAK, малогабаритные импортные конденсаторы.
Транзисторы КТ503Д можно заменить на транзисторы той же серии с другими буквенными индексами.
Вместо индикатора СА56-11YWA допускается применить другой четырёхразрядный с общими анодами, например, СА56-11CGKWA.
Плату часы на микроконтроллере помещают в металлический или пластмассовый корпус подходящих размеров. Чтобы не изменять внешний вид панели приборов автомобиля, часы закрепляют липкой с двух сторон лентой на лобовом стекле в районе зеркала заднего вида. Соединительные провода прокладывают под обшивкой потолка салона и стойкой передней двери и выводят к замку зажигания.
Часы на микроконтроллере не нуждаются в настройке, при безошибочной сборке они должны начать работать сразу после подачи питания. При необходимости точность отсчёта времени корректируют подборкой конденсаторов С1 и С2.
Печатную плату и прошивку часы на микроконтроллере можно забрать здесь
Рубрики Разное© 2023 HamRadio • Создано с помощью GeneratePress
Схема. Часы со световыми эффектами
Предлагаемые часы отличаются от классических стрелочных или с цифровой индикацией тем, что индикация времени осуществляется с помощью светодиодов (60 шт.
), которые устанавливают на основании циферблата в форме круга или овала (рис. 1). «Часовые» светодиоды отличаются от «минутных» размером (а при желании и цветом). Текущий час отображается мигающим с частотой 1 Гц светодиодом. Минуты индицируются числом зажженных подряд светодиодов, начиная с начальной одноминутной отметки. Каждая последующая минута добавляется пробегающим против часовой стрелки огнем. На последней, 59 минуте все зажженные светодиоды минут гаснут по часовой стрелке, начиная с одноминутной отметки и заканчивая пятьдесят девятой. Гашение происходит последовательно, каждую секунду выключается один светодиод. В зоне циферблата от четырех часов до восьми имитируется движение маятника. Он представляет собой бегущий слева направо и в обратном направлении огонь из двух светодиодов. Период колебаний маятника составляет, как и в механических часах, одну секунду. Каждое крайнее положение маятника сопровождается звуковым сигналом, похожим на ход настоящих «ходиков».
Схема часов показана на рис.
2. Основа устройства — микроконтроллер AT90S8535 (DD2). Критериями при его выборе послужили наличие необходимого числа линий ввода/вывода и максимальный ток нагрузки, подключаемой к отдельной линии. Порты А и С используются для управления матрицей светодиодов HL1—HL60. Поскольку в часах установлено большое число светодиодов, для их включения и выключения применено динамическое управление. Линии порта А через транзисторы VT1—VT8 управляют включением определенного столбца. Каждый столбец включается на 2,4 мс, поэтому частота обновления составляет 1/(2,4*10-3*8) = 52 Гц. Светодиоды, зажигаемые в каждый момент времени, определяются комбинацией сигналов на выходе порта С. Резисторы R3 и R4 задают ток через «часовые» светодиоды (примерно 20 мА), а резисторы R5— R10 — через «минутные» (примерно 10 мА). Резисторы R11—R18 ограничивают ток в цепях баз транзисторов VT1 — VT8.
Функция отсчета времени возложена на специализированную микросхему DS1307 фирмы DALLAS SEMICONDUCTOR. Связь между ней и микроконтроллером организована по интерфейсу I2C.
Резисторы R1 и R2 «подтягивают» шины SCL и SDA микросхемы DD1 к линии питания.
Кнопка SB 1 предназначена для корректировки времени. При кратковременном нажатии на нее к текущему времени прибавляется одна минута с одновременным сбросом секунд в ноль, при длительном нажатии(более одной секунды) — с каждой секундой происходит прибавление минут. Процесс изменения устанавливаемого времени сразу же отображается на циферблате. Акустический сигнал «ходиков» формируется с помощью пьезоизлучателя НА1. Через разъем ХР1 устройство подключают к программатору при программировании и подают напряжение питания +5 В при использовании часов. Конденсаторы С1 и С2 служат для сглаживания пульсаций питающего напряжения, возникающих при работе устройства.
«Часовой» кварцевый резонатор ZQ1 является частотозадающим при отсчете времени. От него зависит точность хода часов. Литиевая батарея GB1 — резервный источник питания. Ее напряжение (UБАТ) должно находиться в пределах 2,5…3,5 В. При уменьшении основного напряжения питания ниже 1,25*UБАТ запись информации в микросхему DD1 блокируется.
Таким образом, при отключении часов от сети исключается случайное повреждение информации о текущем времени. В описании DS1307 указано, что при емкости литиевой батареи 35 мА-ч и более срок поддержания работы микросхемы составляет более десяти лет. Следует отметить, что в описываемой конструкции используется только информация о секундах, минутах и часах, в то время как DS1307 позволяет отсчитывать также число месяца, месяц, день недели и год с отслеживанием високосных лет.
Чертеж печатной платы показан на рис. 3. Для ее изготовления применен односторонне фольгированный стеклотекстолит толщиной 1 мм. Внешний вид смонтированной печатной платы показан на рис. 4. В авторском варианте основание циферблата выполнено из ДВП. Лицевая сторона оклеена декоративным материалом. По краю высверлены отверстия для светодиодов. Диаметр отверстий подбирают так, чтобы светодиоды можно было установить в них с небольшим усилием. На тыльной стороне циферблата эпоксидным клеем закреплены кронштейны для подвешивания, три винта для крепления платы и звукоизлучатель НА1.
Кварцевый резонатор ZQ1 — «часовой» РК-206 или аналогичный, кварцевый резонатор ZQ2 — HC-49U, пьезоизлучатель НА1 — ЗП-1, ЗП-3, кнопка SB1 -DTS-32. Светодиоды КИПД35В-К можно заменить другими из серии КИПД35, а КИПД24В-К — любыми из серии КИПД24. Следует иметь в виду, что последняя буква означает цвет свечения (К — красный, Л — зеленый, Ж — желтый), а предпоследняя — яркость. На циферблате светодиоды располагают в соответствии с табл. 1 и 2.
Громкость звукового сигнала можно уменьшить, установив последовательно с пьезоизлучателем резистор сопротивлением 0,1…20кОм. Режим маятника можно выключить, подав на линию порта РВ4 (вывод 5 DD2) низкий уровень, для чего этот вывод соединяют с общим проводом.
Прилагаемые файлы: 12_01_00__30_06_2010.zip
М. ШАМСРАХМАНОВ, г. Тольятти Самарской обл.
«Радио» №2 2008г.
Похожие статьи:
Волчок со светодиодами
Post Views: 1 160
Насколько важны ваши часы в исходном коде микроконтроллера | Блог
Микроконтроллеры зависят от источника тактового сигнала. Процессор, шина и периферийные устройства используют часы для синхронизации своих операций. Часы определяют, насколько быстро процессор выполняет свои инструкции, поэтому они имеют основополагающее значение для производительности. Но насколько важен источник синхронизации? Что такое тактовая частота в микроконтроллере? Имеет ли значение, насколько она точна? Короткий ответ: это зависит… это зависит от того, что делает микроконтроллер и его интерфейсы.
Необходимо принять во внимание два фактора: скорость часов, которая определяет, насколько быстро происходят события, и точность часов, которая определяет постоянство периода между каждым тактом часов и то, как скорость часов может меняться во времени.
Почему важен источник тактового сигнала
Центральный процессор микроконтроллера можно рассматривать как синхронизированную цепочку логических блоков, выполняющих определенную функцию. Если системные часы микроконтроллера работают слишком медленно, обработка занимает больше времени. Если часы работают слишком быстро, может не хватить времени для завершения необходимых операций до начала следующего набора — процессор взаимодействует с рядом различных блоков компонентов, от динамической памяти до интерфейсных контактов. Любая значительная ошибка в тактовой частоте будет иметь непредсказуемые последствия для внутренних операций микроконтроллера.
Тактовый сигнал микроконтроллера будет управлять скоростью преобразования любых аналогово-цифровых операций. Тактовая частота будет определять максимальную частоту дискретизации аналогового сигнала; точность часов будет определять точность частоты дискретизации. Предположим, вы записываете семпл два раза в секунду с отметкой времени.
В этом случае не потребуется много времени, чтобы однопроцентная ошибка в частоте часов (не редкость для внутренних генераторов) удалила любую корреляцию между отметкой времени вашего образца и временем, отображаемым на ваших настенных часах. При постоянном смещении источника тактового сигнала на 1% отметка времени вашего образца будет отсутствовать более чем на 14 минут каждый день.
Что касается выборки данных, тактовый сигнал микроконтроллера будет управлять скоростью преобразования любых цифро-аналоговых операций. Тактовая частота будет определять максимальные частоты, которые могут быть сгенерированы для аналогового сигнала. Точность часов будет определять точность сгенерированного сигнала.
Важнейшим применением тактового сигнала микроконтроллера будет управление асинхронной связью, когда тактовый сигнал определяет время выборки входящего потока данных; после получения начального бита и формы сигнала исходящего потока данных с точки зрения того, когда происходят переходы между каждым битом данных.
При асинхронной связи передатчик и приемник должны иметь одинаковую тактовую частоту для кодирования и декодирования потоков данных. Однако эти часы не нужно синхронизировать; им просто нужно иметь достаточно равные тактовые частоты. Это связано с тем, что приемник начинает обрабатывать входящий поток данных при обнаружении первого фронта на сигнальной линии. Затем необходимо поддерживать правильную тактовую частоту на протяжении всего потока данных, чтобы производить выборку битов данных в нужное время. Требуемая точность будет зависеть от окна, в котором должны производиться выборки данных. Каждый бит данных потенциально будет иметь передний фронт и задний фронт для своего сигнала, где значение данных неопределенно, оставляя период между фронтами, когда данные действительны и могут быть выбраны.
Этот период выборки будет зависеть от типа и длины канала связи. Большие длины передачи и кабели с высокой емкостью увеличивают время нарастания и спада. Наличие шума также может увеличить время, необходимое для стабилизации сигнала.
Также будет зависеть от тактовой частоты и формата сообщения. Для коротких потоков данных требования к точности могут быть довольно слабыми, поскольку часы дискретизации сбрасываются каждый раз, когда принимается новый поток данных. Однако для высокоскоростной последовательной связи с длинными потоками данных требуемая точность может стать более точной. Например, протокол шины CAN делает его очень чувствительным к сдвигу системных часов в микроконтроллере до такой степени, что использование любого источника тактового сигнала, не основанного на кристалле, может быть проблематичным.
На примере устройств UART мы видим, что абсолютная тактовая частота не имеет значения, поскольку приемник UART синхронизируется в начале каждого кадра. Проблема упрощает допустимые различия между часами передачи и приема UART.
Параметры источника тактового сигнала
Обычно при выборе источника тактового сигнала для любого конкретного микроконтроллера существует несколько различных вариантов.
Конкретные параметры будут зависеть от марки и модели часов микроконтроллера, которые вы будете использовать, поэтому здесь мы обсудим все стандартные параметры.
Различные варианты принципиально различаются по точности, стоимости и количеству компонентов. Использование внутреннего источника синхронизации, который есть во всех хороших микроконтроллерах, будет самым дешевым и наименее сложным вариантом, но, как правило, наименее точным. Использование внешнего источника тактового сигнала повысит точность, но за счет добавления дополнительных компонентов на печатную плату и увеличения сложности конструкции.
Какой вариант вы выберете, будет зависеть от того, какая производительность вам требуется и какие у вас есть ограничения с точки зрения места на плате и бюджета. Поскольку всегда есть несколько альтернативных вариантов генерации тактового сигнала для любого данного микроконтроллера, изучите техническое описание вашего конкретного устройства. Как правило, это предоставляет некоторую полезную информацию о том, какие типы источников синхронизации вы можете использовать и как лучше всего их реализовать.
Микроконтроллеры обычно поставляются с внутренним резисторно-конденсаторным генератором для генерации основного тактового сигнала и контуром фазовой автоподстройки частоты для обеспечения функции умножения частоты. Проблема с использованием внутреннего генератора заключается в том, что они значительно менее точны, чем внешние генераторы с плохой стабильностью частоты. Эта внутренняя часть микросхемы микроконтроллера по определению является далеко не идеальным местом для размещения любой RC-схемы. Это происходит из-за зависимости цепей RC от высоких температур и изначально широких допусков компонентов. Как правило, микроконтроллер с хорошим управлением температурой может выдавать тактовый сигнал с точностью в диапазоне от 1% до 5%. Этого может быть достаточно для некоторых более медленных асинхронных шин связи и для обработки низкочастотных аналоговых сигналов. Тем не менее, в большинстве типичных приложений это будет слишком неточным.
Вероятно, стоит вкратце упомянуть, что производительность внутреннего генератора можно улучшить, используя контур фазовой автоподстройки частоты, чтобы более точный внешний тактовый сигнал корректировал внутренний тактовый сигнал.
Однако, если доступен внешний тактовый сигнал, то имеет смысл использовать его вместо внутреннего тактового сигнала, если только микроконтроллер не имеет каких-либо конкретных ограничений, препятствующих этому.
Внешние генераторы
Источники тактового сигнала для микроконтроллеров бывают двух основных типов: механические резонансные устройства, включающие кристаллы и керамические резонаторы, и пассивные RC-генераторы.
Наиболее простой формой генератора является RC-схема, эмулирующая внутреннюю схему генератора, но использующая компоненты с более высокими значениями точности и использующая методы управления тепловым режимом для изоляции компонентов от тепла, выделяемого часами микроконтроллера и любыми другими горячими элементами генератора. схема. Хотя это может повысить точность по крайней мере на порядок, это наименее точный вариант для внешнего генератора, и доступны лучшие решения по сравнительно схожей стоимости и размерам. Тактовые импульсы, генерируемые RC-цепью, также подвержены влиянию колебаний уровней питания и чувствительны к электрическим помехам, что ограничивает их полезность в большинстве типичных приложений.
Кварцевые генераторы являются наиболее распространенной формой внешних генераторов, где требуется точный тактовый сигнал. Кварцевый кристалл и вспомогательная схема обеспечивают превосходную стабильность и точность. Типичный недорогой кварцевый генератор может иметь точность лучше одной миллионной доли процента — этого более чем достаточно для всех приложений, кроме наиболее чувствительных ко времени. Однако на кварцевый кристалл могут воздействовать факторы окружающей среды, которые могут потребовать дополнительной защиты. Вспомогательная схема для кварцевого кристалла также может привести к высокому выходному импедансу, требующему дополнительного согласования импеданса для интеграции с остальной частью схемы. Использование готового модуля кварцевого генератора вместо дискретных компонентов может снизить чувствительность к воздействию окружающей среды и сделать конструкцию платы более простой, если позволяет бюджет. Как правило, они обеспечивают выход прямоугольной формы с низким импедансом, что упрощает интеграцию с остальной частью схемы с точностью, очень близкой к использованию дискретного кристалла.
Альтернативным вариантом является кремниевый генератор на основе схемы резонатора на ИС, который прост в реализации с точностью около 0,05%. Немного лучше, чем внешняя RC-цепочка, но далеко не так хорошо, как кварцевый генератор. Однако кремниевые генераторы более прочны и надежны, чем кварцевые генераторы, и идеально подходят для условий эксплуатации, в которых устройство может подвергаться сильным механическим вибрациям.
Наконец, доступны керамические резонаторы, которые не так точны, как кварцевый генератор, но более точны, чем кремниевый генератор. Основанные на пьезоэлектрическом керамическом материале, они используют резонансные механические колебания для генерации тактового сигнала. Их главное преимущество заключается в том, что они поставляются в простом интегрированном корпусе и занимают меньшую площадь, чем кварцевый генератор и его вспомогательные компоненты. Однако, как и кварцевые генераторы, они чувствительны к факторам окружающей среды, включая температуру, влажность, вибрации и электрические помехи.
При выборе внешнего генератора на ваше решение может повлиять энергопотребление опций. Потребляемая мощность схем дискретных генераторов в первую очередь определяется током питания усилителя с обратной связью и значениями его емкости. Типичная схема кварцевого генератора потребляет десятки мА. Для керамических резонаторов обычно требуются большие значения емкости нагрузки, чем для кварцевых генераторов, требующих большей мощности. Потребляемая мощность кремниевых генераторов в основном пропорциональна рабочей частоте. Тем не менее, они бывают разных вариантов: от маломощных устройств, потребляющих несколько мА, до стандартных устройств, потребляющих десятки мА.
Заключение
Подводя итог, можно сказать, что тип тактового сигнала, который вам нужно использовать для вашего микроконтроллера, будет зависеть главным образом от характера устройства, в которое он встроен, и его операционной среды. Интерфейсы с высокоскоростными асинхронными коммуникационными шинами и высокочастотными аналоговыми сигналами вызовут потребность в точном тактовом сигнале.
Предположим, что устройство должно работать в суровых условиях, будь то в широком диапазоне температур, при высоком уровне электромагнитных помех или при механических вибрациях. В этом случае он может ограничить доступный выбор. Часы микроконтроллера, которые не имеют таких чувствительных ко времени или экологических требований, могут обойтись более дешевым решением.
Если вы хотите узнать больше, почему бы не просмотреть нашу страницу продукта для более подробного описания функций или не позвонить эксперту Altium?
Параметры выбора часов микроконтроллера | Аналоговые устройства
Скачать PDF
Abstract
Кристаллы, керамические резонаторы, RC-генераторы (резисторы, конденсаторы) и кремниевые генераторы — это четыре типа источников тактового сигнала для использования с микроконтроллером (µC). Оптимальный источник синхронизации для приложения зависит от многих факторов, включая стоимость, точность и параметры окружающей среды.
Введение
Большинство источников тактового сигнала для микроконтроллеров можно разделить на два типа: на основе механических резонансных устройств, таких как кристаллы и керамические резонаторы, и на основе электрических фазосдвигающих цепей, таких как RC (резисторные, емкостные) генераторы. Кремниевые генераторы обычно представляют собой полностью интегрированную версию RC-генератора с дополнительными преимуществами источников тока, согласованных резисторов и конденсаторов и схем температурной компенсации для повышения стабильности. Два примера источников тактового сигнала показаны на рис. 1. На рис. 1а показана конфигурация генератора Пирса, подходящая для использования с механическими резонансными устройствами, такими как кристаллы и керамические резонаторы, а на рис. 1б показан простой RC-генератор с обратной связью.
Рис. 1. Примеры простого источника тактового сигнала: (а) конфигурация генератора Пирса и (б) RC-генератор с обратной связью.
Основные различия между механическими резонаторами и RC-генераторами
Генераторы на основе кристаллических и керамических резонаторов (механические) обычно обеспечивают очень высокую начальную точность и умеренно низкий температурный коэффициент. RC-генераторы, напротив, обеспечивают быстрый запуск и низкую стоимость, но обычно имеют низкую точность в зависимости от температуры и напряжения питания и показывают колебания от 5% до 50% от номинальной выходной частоты. Хотя схемы, показанные на рис. 1, могут выдавать четкие надежные тактовые сигналы, на их характеристики сильно влияют условия окружающей среды, выбор компонентов схемы и компоновка схемы генератора. Керамические резонаторы и связанные с ними значения емкости нагрузки должны быть оптимизированы для работы с определенными логическими семействами. Кристаллы с их более высокой добротностью не так чувствительны к выбору усилителя, но чувствительны к частотным сдвигам (и даже повреждениям) при перегрузке.
Генераторные модули
Многих из описанных выше соображений можно избежать, используя модули генератора. Эти модули содержат все компоненты схемы генератора и выдают тактовый сигнал в виде выходного сигнала прямоугольной формы с низким импедансом. Работа гарантирована в различных условиях. Наиболее распространены модули кварцевых генераторов и полностью интегрированные кремниевые генераторы. Модули кварцевого генератора обеспечивают точность, аналогичную схемам с дискретными компонентами, использующими кристаллы. Кремниевые генераторы более точны, чем схемы RC-генераторов на дискретных компонентах, и многие из них обеспечивают сравнимую точность с генераторами на основе керамических резонаторов.
Потребляемая мощность
Потребляемая мощность является еще одним важным фактором при выборе генератора. Потребляемая мощность схем кварцевых генераторов на дискретных компонентах в основном определяется током питания усилителя с обратной связью и используемыми значениями емкости внутри схемы. Потребляемая мощность усилителей, изготовленных на КМОП, в значительной степени пропорциональна рабочей частоте и может быть выражена как значение емкости рассеивания мощности. Например, значение емкости рассеивания мощности инверторного затвора HC04, используемого в качестве инвертирующего усилителя, обычно равно 90пФ. Для работы на частоте 4 МГц от источника питания 5 В это соответствует току питания 1,8 мА. Схема кварцевого генератора на дискретных компонентах обычно включает дополнительную емкость нагрузки 20 пФ, а общий ток питания становится равным 2,2 мА.
Цепи с керамическим резонатором обычно имеют более высокие значения емкости нагрузки, чем схемы с кварцевыми резонаторами, и потребляют еще больший ток, чем схема с кварцевыми резонаторами, использующая тот же усилитель.
Для сравнения, модули кварцевых генераторов обычно потребляют от 10 мА до 60 мА тока питания из-за включенных функций температурной компенсации и управления.
Ток питания для кремниевых генераторов зависит от типа и функции и может варьироваться от нескольких микроампер для низкочастотных (фиксированных) устройств до десятков миллиампер для компонентов с программируемой частотой. Маломощный кремниевый генератор, такой как MAX7375, потребляет менее 2 мА при работе на частоте 4 МГц.
Резюме
Оптимальный источник синхронизации для конкретного приложения микроконтроллера определяется комбинацией факторов, включая точность, стоимость, энергопотребление и требования к окружающей среде. В следующей таблице приведены общие типы схем генераторов, обсуждаемые здесь, а также их сильные и слабые стороны.
Комплексное согласование импеданса цепи. 
