Самодельные бинарные часы. Бинарные часы своими руками (Mega32, DS1307)

Пожелав собрать бинарные часы, я так и не нашел приемлемой готовой конструкции в сети. Большинство часов обладали серьезным недостатком – при отключении питания, настройки времени сбивались. По счастливой случайности, незадолго до этого, я начал осваивать язык Си и микроконтроллеры AVR. Итак, было решено подкрепить полученные знания практическим опытом, а заодно изобрести велосипед. А еще я очень люблю зеленые мигающие светодиоды.

Схема

RTC

Проблему сохранения текущих настроек прекрасно решают часы реального времени (RTC). Мой выбор пал на микросхему DS1307 .

По заверениям производителя, при отключении питания, она может сохранять время и дату в течении 10 лет, потребляя энергию одной лишь литиевой батарейки типа CR2032. Т.е часы продолжают тикать, сохраняя приемлемую точность хода. Время не сбивается, снова включив часы, мы получаем реальное время на циферблате, а не время на момент выключения. Микросхема общается с микроконтроллером через «квадратную шину» I 2 C, сообщая точное время и принимая новые его значения.

Сердце устройства

Выбор микроконтроллера Mega32a был продиктован следующими факторами:
Достаточное количество портов, чтобы не использовать динамическую индикацию, которую я не люблю, в первую очередь из-за того, что она раздражает зрение (мигание с высокой частотой в любом случае неестественно). С ней я познакомился, играясь с микроконтроллерами PIC на языке Proton PICBasic, и если есть возможность не использовать динамическую индикацию, я предпочту так и сделать.
Относительно низкая стоимость в 130 рублей (Mega16a, например, стоит столько же), а со скидкой так вообще 104 рубля.
Четкий QPF-44 корпус, с удобным расположением выводов

Порт «А» отображает секунды, порт «В» - минуты и порт «С» - часы. Очень удобно то, что можно присвоить портам значения времени, принятые из DS1307, без каких – либо изменений. К порту «D» подключены кнопки (пины 3 – 7), пины 0 и 1 работают как линия тактирования (SCL) и линия последовательной передачи данных (SDA) соответственно. Микросхема RTC настроена так, что выдает на своей седьмой ноге импульсы с частотой 1 герц. Эта нога подключена к 3-му пину порта «D». Сам этот порт сконфигурирован на вход, и на всякий случай включены внутренние подтяжки к плюсу питания, продублированные SMD резисторами снаружи. Такие действия в полной мере защищают от всяких неожиданностей.

Светодиоды

Светодиоды я выбрал в матовом корпусе с низкой светимостью. Сначала были опробованы яркие диоды в прозрачном корпусе, но даже при токе в 3 мА они слишком ярко и неравномерно светили, что опять таки вызывало дискомфорт. При падении напряжения на диоде в 2 вольта, напряжении питания 5 вольт и резисторе 1 кОм, значение тока, текущего через диод будет равно (5 – 2)/1000 = 3 мA. Это значение было подобрано эмпирически, а яркость свечения отлично подходит для полутемной комнаты. Если планируется устанавливать часы под прямой солнечный свет, то номинал резисторов следует уменьшить, вплоть до 200 ом, для более яркого свечения (спасибо кэп).

Кнопки

На отдельной плате с кнопками, предусмотрен «предохранитель» (он убережет нас от случайного выстрела в голову), в виде еще одной кнопки Bt6. Время можно редактировать, предварительно зажав ее.

Софт

Код написан в среде CodeVisionAvr.
Программа начинается с того, что мы настраиваем периферию микроконтроллера.
Конфигурируем порты (A,B,C – выход, D – вход)
На всякий случай предусмотрена пауза 300 мс, чтобы DS1307 успела «очухаться»
Инициализируем «квадратную шину»
Настраиваем микросхему RTC так, чтобы она выдавала прямоугольные импульсы каждую секунду на выводе SQW/OUT
Проверяем, нажата ли кнопка CLR. Если да, то сбрасываем все значения в 0
Разрешаем глобальные прерывания
Да, пару слов про них. Мы используем внешние прерывания INT0 на PD2 по спаду, т.е. каждую секунду программа будет уходить в обработчик прерываний, в котором мы считываем значения времени из DS1307 и выводим их на светодиодные индикаторы.
Уходим в бесконечный цикл, где опрашиваем кнопки
Если кнопка нажата, прибавляем (отнимаем) час (минуту) и посылаем новое значение по I2C
Попутно проверяем, вписываются ли новые значения времени в 24-х часовой и 60-ти минутный диапазоны.

Печатная плата

Плата выполнена по Великой Космической Лазерно – Утюжной Технологии на одностороннем текстолите. При изготовлении верхней платы, использовалась обычная бумага (неудачный эксперимент).

Существует много вариаций этой технологии. На мой взгляд, вот этот самый лучший:
1. Выпиливаем нужного размера кусок текстолита.
2. Шкурим торцы, избавляясь от вредных заусенцев.
3. Смазываем будущую плату чистящим порошком или зубной пастой и жесткой стороной губки драим ее до блеска.
4. Окунаем наш кусок на пару десятков секунд в слабый раствор теплого хлорного железа, до появления равномерной, матовой, бардово-коричневой поверхности. При вытаскивании из раствора, жидкость должна полностью смачивать поверхность.
5. Смываем каку, аккуратно сушим, не прикасаясь к поверхности пальцами, или чем другим жирным. Сразу кладем на чистую бумагу медью вниз, чтобы избежать попадания пыли или волос.
6. Распечатываем отзеркаленный рисунок на тонкой(!) глянцевой бумаге, можно вырезать из журнала, например. Не прикасаемся к рисунку руками. Аккуратно вырезаем, кладем рисунком вниз.
7. Прикладываем к подготовленному куску текстолита, проглаживаем через 1-2 слоя чистой бумаги, выставив утюг на максимальную температуру. Секунд 10 должно быть достаточно, ибо если передержать, дорожки расплющатся и затекут друг на друга. Тонер должен полностью прилипнуть к меди.
8. Отмачиваем под струей теплой воды, можно оставить в воде на 10 минут. Аккуратно отдираем, соскребаем бумагу. Мне в этом помогает старая зубная щетка. Удаляем оставшиеся кусочки бумаги иголкой. Тонер остается на текстолите.
9. Нагреваем на водяной бане крепкий раствор хлорного железа, бросаем туда нашу плату и бултыхаем в течении нескольких минут (по правилу Вант-Гоффа, при увеличении температуры на 10 градусов, скорость реакции увеличивается в 2 раза. Медь исчезает прямо на глазах. Можно и не греть, но ждать придется дольше.
10. Как только вся ненужная медь исчезла, выключаем газ, вытаскиваем (например пинцетом) плату, пытаемся отмыть плиту и пальцы от хлорного железа. Смываем его с платы проточной водой.
11. Берем ацетон (жидкость для снятия лака) и оттираем тонер. Можно попробовать соскрести его шкуркой или губкой.
12. Сверлим отверстия.
13. Лудим. В качестве флюса использую ЛТИ, и вам советую, однако после лужения и пайки этот флюс нужно обязательно смыть (тем же ацетоном, а лучше смесью спирто-бензин 1:1), т.к. ЛТИшка обладает некоторой проводимостью.
Все работы обязательно проводить в проветриваемом помещении, в процессе
выделяется много вредных паров.

Платы соединяются между собой PBS и PLD разъемов. Первые соединяются с верхней платой при помощи тонкого монтажного провода, его можно выковырять, например, из старого LPT кабеля или переходника.

Вторые припаиваются к нижней плате, причем штырьки, ведущие к клавиатуре загибаются (см. фото).

Печатные платы в формате SprintLayout5.0 прилагаются. На фотографиях есть пару косяков, но они уже исправлены в приложенных файлах.

Прошивка микроконтроллера

Для этого дела был собран программатор USBasp , который можно увидеть на фото сверху. Довольно приятная штука, прост в использовании и можно всегода носить его с собой в кармане(надеюсь, никто так делать не станет). Для прошивки mega32 придется установить джампер «Slow SCK».
Фьюзы:
Low fuse = 0xC4
High fuse = 0xD9
Наш микроконтроллер тактируется от внутреннего RC генератора с частотой 8 МГц. Пришлось отключить JTAG интерфейс на PortC, иначе некоторые светодиоды не будут светиться.
На плате предусмотрен ISP10 разъем, для быстрой прошивки/отладки.

Лицевая панель

Выполнена из алюминиевой пластины, шириной 40 мм и толщиной 1,5 мм. В ней просверлены 18 отверстий диаметром 5 мм, и 4 отверстия диаметром 3 мм для крепления стоек.

Сначала был распечатан шаблон и наклеен на пластину. Далее, были просверлены пилотные отверстия сверлом 1,5 мм, после чего уже сверлами нужных диаметров были просверлены основные отверстия.

В завершении, пластина была загнута, ошкурена мелкой шкуркой и отполирована пастой ГОИ.
Шаблон прилагается к приложенным файлам в виде файла layout5.0

Красный светодиод в левом верхнем углу

Повторяет импульсы, генерируемые DS1307 на 7-ой ноге, т.е. мигает каждую сегунду. Маленький p-канальный MOSFET транзистор работает в ключевом режиме, открываясь и закрываясь в такт импульсам. Сначала я хотел сделать фоновую подсветку (как Ambilight), для чего был слеплен КМОП инвертор на комплиментарной паре транзисторов(чтоб уж наверняка). Но мне не понравилось. Для одного светодиодика вполне достаточно одного транзистора, можно использовать даже pnp типа bc857. Я использовал бескорпусные mosfet irlml6402 или irlml6302.

Файлы

Исходники, hex-файл, печатные платы, схемы, схема в proteus и фьюзы заключены вот в эту картинку в виде архива. Я не доверяю файлохранилищам, своего сервера у меня пока нет, поэтому, на мой дилетантский взгляд, самым надежным местом для хранения будет Хабр. Пользователи windows могут добраться до файлов открыв сохраненную картинку с помощью WinRar.
Да, вот эта картинка.

Видео

Заключение

Источник питания можно использовать любой, способный выдать 5 вольт при токе в 70 мА. USB-порт вполне для этого подойдет. Главное, чтобы питание было «чистым», и не превышало 5 вольт. Питая часы от DC-DC преобразователя из на микросхеме mc34063 с уровнем помех ~50 мВ, я заметил глюки при установке времени. Сейчас устройство питается от свича, висящего рядом. Он выдает строго 5 вольт. По хорошему, нужно еще сделать защиту от дурака в виде диода, и какой-нибудь линейный стабилизатор на 3.3 - 5 вольт.
Отсутствие в часах функций будильника и отображения даты вполне обосновано: и то и другое присутствует в телефоне, а значит, пользоваться ими в бинарных часах с большой долей вероятности никто не будет (спасибо дядюшке Оккаму за этот вывод).

И продолжая тему публикуем следующий материал. Эти часы настоящего радиогика (radiogeek - радиофанат, англ.) и отображают время в двоичном коде, в момент когда кнопка нажата. Устройство показывает часы и минуты путём мигания двух светодиодов в последовательности и представляют собой два 4-разрядных двоичных числа. Вот описание того, как читать двоичные числа.

Первое число представляет час, а второе - количество минут. Например, если часы мигают 0010 - 0110, это соответствует 2 - 6, что означает часов "2" и минут "6". То есть 2:30. В устройстве отсутствует индикация "am" или "pm", но, думаем, всем понятно - это 2:30 ночи или дня. Проект предполагает также, что вы имеете опыт работы с поверхностного монтажа электронных компонентов, и, что вам знакомы навыки пайки SMD деталей.

Схема часов

Как определить время

Было сделано много вариантов и экземпляров этих часов - вы видите их на фотографиях. В архиве имеются версии 2.5 и 3.1, которая использует для поверхностного монтажа контроллер ATtiny и мини-USB порт для программирования. В контроллере ATtiny 8 контактов. Этот чип может быть запрограммирован для выполнения различных функций. У ATtiny есть внутренние часы, и подключенные светодиоды запрограммированы на мигание для отображения времени.

Электронные компоненты схемы

Atmel микроконтроллер ATtiny85
2 SMD светодиода поверхностного монтажа
2 SMD резистора 50 Ом
Маленькая SMD кнопка
CR2032 3-х вольтовая батарея типа "Таблетка"
Минидержатель для аккумулятора

Пайка часов

Для этого процесса была использована тостерная печь, для оплавления припоя на мелких SMD компонентах, таких как светодиоды и резисторы, и затем используется обычный паяльник чтоб припаять более крупные компоненты, такие как гнездо, кнопка, и держатель батареи.

Итак, часы собраны, но ATtiny еще не знает, как управлять светодиодами. Поэтому мы должны запрограммировать его. Существует несколько вариантов, когда дело доходит до программирования ATtiny. Вы можете сделать быстрый макет схемы и использовать специальные устройства программирования ATtiny, или, если вы можете сделать отличный Arduino программатор, так что в дальнейшем можете легко запрограммировать любые контроллеры.

Поскольку чип очень маленький, то чтоб запрограммировать его, пришлось добавить мини-USB порт, который подключается к необходимым контактам. На другой конец вешаем обычный USB-кабель, так что все, что вам нужно сделать, это подключить часы к программатору. Ну а ремешок выбирайте сами - хоть кожаный, хоть силиконовый. Корпус же здесь не нужен вообще - пусть все видят, что это часы настоящего радиоманьяка!

Обсудить статью ЧАСЫ РАДИОГИКА

Предлагаю вашему вниманию электронные часы на микроконтроллере . Схема часов очень проста, содержит минимум деталей, доступна для повторения начинающим радиолюбителям.

Конструкция собрана на микроконтроллере и часов реального времени DS1307 . В качестве индикатора текущего времени использован четырехразрядный семисегментный светодиодный индикатор (ультраяркий, голубого цвета свечения, что неплохо смотрится в темное время, и, заодно, часы играют роль ночника). Управление часами происходит двумя кнопками. Благодаря использованию микросхемы часов реального времени DS1307, алгоритм программы получился довольно простым. Общение микроконтроллера с часами реального времени происходит по шине I2C, и организованно программным путем.

Схема часов:

К сожалению, в схеме есть ошибка:
— выводы МК к базам транзисторов нужно подключать:
РВ0 к Т4, РВ1 к Т3, РВ2 к Т2, РВ3 к Т1
или поменять подключение коллекторов транзисторов к разрядам индикатора:
Т1 к DP1 ….. Т4 к DP4

Детали, используемые в схеме часов:

♦ микроконтроллер ATTiny26:

♦ часы реального времени DS1307:

♦ 4-разрядный семисегментный светодиодный индикатор – FYQ-5641UB -21 с общим катодом (ультраяркий, голубого цвета свечения):

♦ кварц 32,768 кГц, с входной емкостью 12,5 пф (можно взять с материнской платы компьютера), от этого кварца зависит точность хода часов:

♦ все транзисторы — NPN-структуры, можно применить любые (КТ3102, КТ315 и их зарубежные аналоги), я применил ВС547С
♦ микросхемный стабилизатор напряжения типа 7805
♦ все резисторы мощностью 0,125 ватт
♦ полярные конденсаторы на рабочее напряжение не ниже напряжения питания
♦ резервное питание DS1307 – 3 вольтовый литиевый элемент CR2032

Для питания часов можно использовать любое ненужное зарядное устройство сотового телефона (в этом случае, если напряжение на выходе зарядного устройства в пределах 5 вольт ± 0,5 вольта, часть схемы — стабилизатор напряжения на микросхеме типа 7805, можно исключить)
Ток потребления устройством составляет — 30 мА.
Батарейку резервного питания часов DS1307 можно и не ставить, но тогда, 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, от вывода SQW DS1307) служит для разделения часов и минут на индикаторе.

Установки микроконтроллера заводские: тактовая частота — 1МГц, FUSE-биты трогать не надо.

Алгоритм работы часов (в Algorithm Builder):

1. Установка указателя стека
2. Настройка таймера Т0:
— частота СК/8
— прерывания по переполнению (при такой предустановленной частоте вызов прерывания происходит каждые 2 миллисекунды)
3. Инициализация портов (выводы РА0-6 и РВ0-3 настраиваются на выход, РА7 и РВ6 на вход)
4. Инициализация шины I2C (выводы РВ4 и РВ5)
5. Проверка 7-го бита (СН) нулевого регистра DS1307
6. Глобальное разрешение прерывания
7. Вход в цикл с проверкой нажатия кнопки

При первом включении, или повторном включении при отсутствии резервного питания DS307, 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.
При нажатии кнопки S2 (S4 — в программе) происходит глобальный запрет прерываний, программа переходит в подпрограмму коррекции времени. При этом, 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.

Часы показали хорошую точность хода, уход времени за месяц — 3 секунды.
Для улучшения точности хода, кварц рекомендуется подключать к DS1307, как указано в даташите:

Программа написана в среде «Algorithm Builder».
Вы можете, на примере программы часов, ознакомиться с алгоритмом общения микроконтроллера с другими устройствами по шине I2C (в алгоритме подробно прокомментирована каждая строчка).

Фотография собранного устройства и печатная плата в формате.lay от читателя сайта Анатолия Пильгук, за что ему огромное спасибо!

В устройстве применены: Транзисторы — СМД ВС847 и ЧИП резисторы

Приложения к статье:

(42,9 KiB, 3 038 hits)

(6,3 KiB, 4 058 hits)

(3,1 KiB, 2 500 hits)

(312,1 KiB, 5 833 hits)

Второй вариант программы часов в АБ (для тех у кого нескачивается верхний)

(11,4 KiB, 1 842 hits)

Схема

RTC

Сердце устройства

Светодиоды

Кнопки

Софт

Печатная плата

Прошивка микроконтроллера

Лицевая панель

Красный светодиод в левом верхнем углу

Файлы

Видео

Заключение

Длится уже много веков. За это время каких только способов определения ни было придумано изобретательными людьми - начиная с зависящих от положения Солнца в небе до электронных. Последний писк моды на данный момент - это часы бинарные, совсем непривычные на первый взгляд. Так что же это и как по загорающимся точкам определить, который час? Давайте разберемся в этой интересной новинке получше.

Что такое бинарные часы?

Популярность этих хронометров растет с необыкновенной скоростью. Впрочем, чему тут удивляться, стоит только взглянуть на эту новинку. Оригинальный внешний вид, стильный дизайн, необычный принцип работы - все это позволяет людям с нестандартным видением мира выделиться из толпы.

На своем экране, в отличие от механических или электронных, бинарные наручные часы имеют не стрелки и цифры, а разноцветные светящиеся точки (которые в некоторых моделях мигают).

Вся необычность принципа их действия заключается в том, что вместо привычной для нас десятеричной время здесь указано в в которой все цифры записываются только с помощью нулей и единиц. Именно так работает вся компьютерная техника, потому у программистов и тех, кто тесно связан с информационными технологиями, не должно возникнуть сложностей с пересчетом.

Как они появились?

Первый раз часы бинарные вышли в свет в 2008 году. Именно тогда фирма Anelace представила свою инновационную разработку всему миру. Однако появлению стильных наручных часов с LED-экраном предшествовали годы усовершенствований, проб и ошибок.

Модели-прототипы бинарных часов, созданные еще в начале 20-го века, были огромными махинами с электронными лампами (как, впрочем, и первые компьютеры). Тогда для человека они почти не представляли практического интереса.

С развитием технологий все более широкое распространение получили светодиоды, и в конструкции бинарных часов они заняли место обычных ламп.

Прошли годы, и необычной системой заинтересовался один японский профессор медицины. Его пациентами были пожилые люди, имеющие проблемы с памятью и мозговой деятельностью. Профессор включил в занятия по их реабилитации и часы бинарные в качестве развивающей головоломки. Результат оказался просто ошеломительным!

Зачем такие сложности?

Первый вопрос, который возникает при взгляде на бинарные часы: как пользоваться ими? Поначалу таким вот странным способом может показаться глупой причудой, которая понравится только или совсем уж сдвинутым на почве технологий фрикам, или гениям. Обычно ведь часы нужны для того, чтобы лишь мельком взглянуть на них и узнать время, а с бинарными хронометрами такой фокус не пройдет. Можно даже опоздать на встречу, пока пытаешься считать с них показания.

И все же стоит только отбросить всякие предрассудки, как становится понятно: вещь это исключительно полезная, прежде всего для тренировки и развития ума. Чтобы привыкнуть к бинарным часам, нужно гораздо меньше времени, чем кажется на первый взгляд, а многообразие видов не даст расслабиться.

Преимущества

Какую пользу приносят своему владельцу часы бинарные по сравнению с обычными? Ну, для начала, это отличная возможность перед всеми знакомыми (да и просто прохожими) прослыть очень умным и оригинальным человеком. Особенно если на их расспросы ничего не уточнять, а делать загадочный вид в стиле «вам, простым смертным, не понять».

А если говорить серьезно, то бинарные часы - это сразу несколько полезных гаджетов в одном.

Часы. Естественно, по ним можно определять время, иначе какие же это часы?
Игра-головоломка. Позволяет устроить себе развлечение в любой момент, когда заблагорассудится. К тому же разные модели таких часов основаны на немного отличающихся друг от друга системах счисления, что делает их еще интереснее.
Особенно полезен этот гаджет для профилактики старческих умственных отклонений, но и молодым людям он станет отличным мозговым тренажером.
Ультрамодное и современное украшение с инновационным дизайном. И да, эти часы светятся в темноте.

Настройка

Бинарные наручные часы не имеют в своем механизме ни циферблата, ни стрелок. Вместо этого вся информация о и времени выводится на LED-экран с помощью светодиодов. Из-за этого перед пользователем встает насущный вопрос: а как настроить бинарные часы?

Система кодировки может различаться в разных моделях бинарных часов, однако есть некоторые основные моменты, о которых стоит помнить. Обычно у таких хронометров есть 1 или 2 режима: время и, реже, дата, переключающиеся кнопкой. Для настройки нужной величины чаще всего сначала нужно нажать кнопку Set ("Установка"). Мигающие индикаторы покажут, что вы делаете все правильно. Кнопка Select ("Выбор") позволяет переключиться от установки часов к минутам и секундам, а также от месяца к числу.

Чтобы правильно выставить на часах нужные значения, стоит освоить основной принцип двоичной системы счисления. «Вес» каждого разряда можно определить, умножив предыдущий на 2. Получим следующий ряд: 1, 2, 4, 8, 16, 32. Например, чтобы число 110101 перевести в привычный нам вид, нужно сложить «вес» каждого из значимых разрядов. Получим 32 + 16 + 0 + 4 + 0 + 1 = 53.

Поскольку разные фирмы производят несколько различающиеся между собой бинарные часы, инструкция к ним поможет разобраться во всем более подробно.

Какие бывают бинарные часы?

Как и большая часть электронных гаджетов, часы бинарные - вотчина японцев и китайцев. Сейчас их производит множество фирм, модели различаются по качеству, однако все их можно разделить на несколько групп по виду отображаемой информации.

Хронометры с двумя рядами светодиодов. Один ряд показывает часы, второй - минуты. Кроме того, на экране есть 2 индикатора времени суток (AM и РМ).
Часы со светодиодами, расположенными в 6 рядов (по 2 на часы, минуты и секунды). Показывают время в формате HH:MM:SS. Чтобы узнать по ним время, нужно записать показания каждого столбика по порядку, предусмотренному этим форматом.

Экран часов может напоминать спидометр с двумя окружностями: внешней, показывающей часы, и внутренней, которая определяет минуты.
В некоторых часах имеется по 2 дорожки - справа (часы) и слева (минуты).

Есть и более навороченные варианты бинарных часов. Какой из них выбрать, зависит только от вашего желания и финансовых возможностей.