Wahadlowy_zegar_widmowy.pdf

PROJEKTY CZYTELNIKÓW

Dział „Projekty Czytelników” zawiera opisy projektów nadesłanych do redakcji EP przez Czytelników. Redakcja nie bierze od-

powiedzialności za prawidłowe działanie opisywanych układów, gdyż nie testujemy ich laboratoryjnie, chociaż sprawdzamy

poprawność konstrukcji.

Prosimy o nadsyłanie własnych projektów z modelami (do zwrotu). Do artykułu należy dołączyć podpisane oświadczenie, że

artykuł jest własnym opracowaniem autora i nie był dotychczas nigdzie publikowany. Honorarium za publikację w tym dziale

wynosi 250,– zł (brutto) za 1 stronę w EP. Przysyłanych tekstów nie zwracamy. Redakcja zastrzega sobie prawo do dokonywania

skrótów.

Wahadłowy zegar widmowy

Opisane urządzenie, jak nie

trudno się domyślić, służy do

wyświetlania aktualnego czasu.

Jednak funkcja ta jest spełniana

w bardzo nietypowy sposób,

ponieważ czas w standardowym

formacie HH:MM:SS jest

wyświetlany za pomocą jedynie

siedmiu diod LED. Poza tym,

świecące cyfry wydają się

być zawieszone w przestrzeni.

Uzyskanie takiego efektu jest

możliwe dzięki opóźnieniu

ludzkiego oka w reakcji na

zanik światła.

Dodatkowe

materiały na CD

Projekt

171

Linijka diod LED zamocowana jest na koń-

cu elastycznego, plastikowego ramienia, który

wprawiany jest w ruch wahadłowy za pomocą

elektromagnesów (stąd „wahadłowy” w tytule).

Cyfry nie są wyświetlane w całości lecz linia po

linii, jednak to przemiatanie następuje tak szyb-

ko, że obserwatorowi wydaje się, że ma przed

sobą cały nieruchomy obraz. Dokładnie ta sama

zasada obowiązuje w telewizorze, gdzie obraz

również jest wyświetlany liniami, z tym że po-

ziomymi (w dzisiejszych czasach należałoby już

wspomnieć, że chodzi o staroświecki telewizor

z kineskopem  ). Zapewne niektórym czytelni-

kom znane są inne zegary lub wyświetlacze wid-

mowe oparte na tej samej zasadzie, jednak za-

zwyczaj są to konstrukcje gdzie linijka diod jest

zamontowana na wirniku silnika elektrycznego.

To niestety wymaga albo umieszczenia całego

układu na płytce z diodami i nie zawsze łatwe-

go wyważenia go, albo zastosowania skompli-

kowanego systemu szczotek do przekazywania

zasilania poszczególnym diodom świecącym.

W tym pierwszym przypadku również potrzeb-

ne są szczotki lub transformatory obrotowe,

bo układ musi przecież jakoś być zasilany. Do-

datkowym problemem jest ustawianie godziny

– o przyciskach na płytce można zapomnieć,

bo przecież aby było widać godzinę układ musi

wykonywać przynajmniej kilkanaście obrotów

na sekundę.

Dlatego postanowiłem zbudować coś od-

miennego, co nie wymaga szczotek ani trans-

formatorów obrotowych, a jednocześnie układ

elektroniczny jest nieruchomy i w pełni do-

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2009

PROJEKTY CZYTELNIKÓW

Wahadłowy zegar widmowy

List. 1.

$crystal = 12000000

Conﬁg Scl = Portd.1

Conﬁg Sda = Portd.0

Conﬁg I2cdelay = 10

Conﬁg Portb = Output

Portb = 127

Conﬁg Int0 = Rising

On Int0 Go

Enable Int0

Enable Interrupts

Dim I As Byte , Ii As Byte

Dim B As Byte

Dim S As Byte , M As Byte , H As Byte

Dim Ustawione As Byte

Dim Znaki(8) As Byte

Znaki(3) = 10 ‘dwukropek

Znaki(6) = 10 ‘dwukropek

Declare Sub Get_time

Declare Sub Set_time

Declare Sub Setting_time

Call Get_time

If Pind.4 = 0 Then Call Setting_time

Waitms 100

Loop

Go:

Waitms 20 ‘odległość od krawędzi

Znaki(1) = H / 10

Znaki(2) = H Mod 10

Znaki(4) = M / 10

Znaki(5) = M Mod 10

Znaki(7) = S / 10

Znaki(8) = S Mod 10

For I = 1 To 8

For Ii = 0 To 4

B = Znaki(i) * 5

B = B + Ii

B = Lookup(B , Dta_znaki)

Portb = B

Waitus 400 ‘SZEROKOŚĆ ZNAKU

Next Ii

Portb = 127

Waitus 400 ‘ODSTĘP

Next I

Return

Sub Setting_time

S = 0

Waitms 100

If Pind.5 = 0 Then

If Ustawione = 2 Then

Ustawione = 0

Call Set_time

Exit Do

Else

Ustawione = 1

List. 1. c.d.

Incr H

If H > 24 Then H = 0

End If

If Pind.4 = 0 Then

If Ustawione <> 0 Then

Ustawione = 2

Incr M

If M > 59 Then M = 0

End If

Loop

End Sub

Sub Get_time

I2cstart

I2cwbyte 160

I2cwbyte 2

I2cstart

I2cwbyte 161

I2crbyte S , Ack

I2crbyte M , Ack

I2crbyte H , Nack

I2cstop

H = Makedec(h)

M = Makedec(m)

S = Makedec(s)

End Sub

Sub Set_time

M = Makebcd(m)

H = Makebcd(h)

Disable Interrupts

I2cstart

I2cwbyte 160

I2cwbyte 0

I2cwbyte 8

I2cstop

I2cstart

I2cwbyte 160

I2cwbyte 2

I2cwbyte S

I2cwbyte M

I2cwbyte H

I2cstop

Enable Interrupts

End Sub

Dta_znaki:

Data &B1000001 , &B0111110 , &B0111110 , &B0111110 , &B1000001 ‘0

Data &B1111111 , &B1011110 , &B0000000 , &B1111110 , &B1111111 ‘1

Data &B1011110 , &B0111100 , &B0111010 , &B0110110 , &B1001110 ‘2

Data &B0111101 , &B0111110 , &B0101110 , &B0010110 , &B0111001 ‘3

Data &B1110011 , &B1101011 , &B1011011 , &B0000000 , &B1111011 ‘4

Data &B0001101 , &B0101110 , &B0101110 , &B0101110 , &B0110001 ‘5

Data &B1100001 , &B1010110 , &B0110110 , &B0110110 , &B1111001 ‘6

Data &B0111111 , &B0111000 , &B0110111 , &B0101111 , &B0011111 ‘7

Data &B1001001 , &B0110110 , &B0110110 , &B0110110 , &B1001001 ‘8

Data &B1001111 , &B0110110 , &B0110110 , &B0110101 , &B1000011 ‘9

Data &B1111111 , &B1001001 , &B1001001 , &B1111111 , &B1111111 ‘:

stępny w czasie działania urządzenia. Opisany

przeze mnie zegar widmowy wyświetla godzinę

za pomocą diod umieszczonych na plastikowym

ramieniu drgającym w ruchu wahadłowym.

się ze strony prawej do lewej) przeznaczona jest

na odczyt czasu z układu RTC oraz kontrolo-

wanie przycisku powodującego wejście w tryb

ustawiania godziny.

Program składa się kolejno z części dekla-

racji i konﬁguracji sprzętowej procesora (której

dokładniejszy opis będzie chyba zbędny), pętli

głównej oraz czterech procedur:

Go – przerwanie realizujące wyświetlenie godzi-

ny,

Setting_time – tryb ustawiania godziny,

Get_time – realizacja odczytu czasu za pomocą

magistrali I 2 C,

Set_time – realizacja zapisu ustawionego wcze-

śniej czasu, również za pomocą I 2 C.

Pętla gówna dziesięciokrotnie w ciągu se-

kundy wywołuje procedurę odczytu czasu oraz

sprawdza czy przycisk S1 podłączony do pinu

d.4 jest wciśnięty. Jeśli tak, to wywołana zostaje

procedura ustawiania czasu. Wówczas czas jest

zerowany (zostaje wyświetlone 00:00:00) i za

pomocą przycisku S2 należy ustawić aktualną

godzinę. Następnie, dopiero po ustawieniu go-

dziny, przechodzimy do ustawiania minut za po-

mocą przycisku S2. Ustawianie sekund uznałem

za zbędne, dlatego przy wejściu do trybu usta-

wiania czasu są one zerowane i aby zegar był

punktualny co do sekundy należy ustawić czas

o minutę późniejszy niż aktualny, a następnie

poczekać aż ta minuta nastanie – w tym mo-

mencie należy ponownie wcisnąć przycisk S1,

co spowoduje wywołanie procedury zapisu cza-

su do układu RTC a następnie powrót progra-

mu do pętli głównej.

Do tej pory program jest prosty i zrozu-

miały, jednak procedura Go jest trochę bardziej

zagmatwana. Komenda waitms 20 rozpoczyna-

jąca procedurę ustala opóźnienie wyświetlania

godziny w stosunku do sygnału przerwania,

czyli w praktyce odległość wyświetlanego

obrazu od lewej skrajnej pozycji wahadła. Go-

dzina powinna być wyświetlana w czasie gdy

ruch wahadła jest najbardziej jednostajny, czyli

w rejonie jego środkowego położenia, dlatego

wartość tego opóźnienia trzeba ustalić indywi-

dualnie do każdej konstrukcji. Kolejne sześć linii

Program

Program mikrokontrolera przedstawia

List. 1 . Napisany został w znanym i prostym

języku Bascom. Zastosowany mikrokontroler to

bardzo popularny AT90S2313, którego obecnie

produkowanym odpowiednikiem jest Attiny-

2313. Ogólnie rzecz biorąc zadaniem mikro-

procesora jest odczyt czasu z układu RTC i na

podstawie otrzymanych informacji zaświecanie

odpowiednich diod LED w odpowiednim czasie,

oraz oczywiście umożliwienie użytkownikowi

ustawienia właściwej godziny. Synchronizacja

wyświetlanego obrazu jest realizowana za po-

mocą przerwania Int0, na które podawany jest

sygnał prostokątny sterujący elektromagnesami.

Praktycznie połowę czasu mikroprocesor zuży-

wa na obsługę tego przerwania, natomiast dru-

ga połowa (czyli czas gdy wahadło przemieszcza

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2009

PROJEKTY CZYTELNIKÓW

Rys. 1. Schemat elektryczny zegara

procedury zapisuje kolejne cyfry godzin, minut

i sekund do tablicy Znaki, która zawiera osiem

znaków wyświetlanych kolejno przez zegar

(dwa dwukropki zostały wpisane do tej tablicy

na stałe na początku programu). Następnie pro-

gram przechodzi do podwójnej pętli For. Pętla

zewnętrzna wykonuje się osiem razy, ponie-

waż tyle jest wyświetlanych znaków, zmienna

I określa który raz pętla jest wykonywana, czyli

który znak jest aktualnie wyświetlany. Nato-

miast pętla wewnętrzna wykonuje się pięć razy

dla każdego znaku, ponieważ jeden znak składa

się z pięciu pionowych linii, zmienna Ii określa

która linia (z I -tego znaku) jest w danej chwili

wyświetlana.

W tym momencie należałoby wspomnieć,

że konﬁguracja zaświecania diod LED zapisana

jest w obszarze danych na końcu programu pod

etykietą Dta_znaki . Zapis ten składa się z 55

liczb ośmiobitowych (dla ułatwienia zapisałem

je binarnie), które reprezentują kolejno pionowe

linie jedenastu znaków, od „0” do „9” oraz „:”.

Kolejne bity liczby reprezentują kolejne diody

LED, gdzie „0” oznacza diodę zaświeconą a „1”

zgaszoną. Najstarszy, ósmy bit każdej liczby jest

nieistotny, ponieważ mamy tylko 7 diod LED. Te-

raz wróćmy do dalszej analizy programu.

Zmienna B przyjmuje wartość reprezentu-

jącą miejsce pierwszej pionowej linii znaku za-

pisanego w tablicy Znaki na pozycji I -tej, każdy

znak to 5 linii dlatego wartość z tablicy mnożo-

na jest przez 5. Następnie wartość B zwiększana

jest o wartość Ii , czyli o wartość aktualnej linii

z aktualnego znaku. Następnie z obszaru da-

nych Dta_znaki pobierana jest wartość zapisana

na pozycji B -tej. Dla przykładu, jeśli jest godzi-

na 14 i w danej chwili trzeba zaświecić trzecią

pionową linię cyfry drugiej (czyli cyfry „4”), to

program pobierze informację które diody włą-

czyć z 4×5+3=23 pozycji z obszaru danych

Dta_znaki. Następnie odczytana liczba zostaje

wystawiona na port B do którego podłączone

są diody LED, po czym program czeka 400 m s

(ta wartość określa szerokość pojedynczego zna-

ku). Na tym kończy się pętla wewnętrzna, i po

wyświetleniu wszystkich pięciu linii na port B zo-

staje wystawiona liczba 127 (binarnie 1111111),

czyli wszystkie diody zostaną zgaszone, po-

nieważ właśnie trwa przerwa między znakami

trwająca zgodnie z wartością wpisaną w na-

stępnej linii programu 400 m s. Po odczekaniu

tego czasu program przechodzi do wyświetlania

następnego znaku, a jeśli wyświetlone zostały

już wszystkie z ośmiu to następuje powrót do

pętli głównej i oczekiwanie na następny sygnał

przerwania.

3 kg. Tyle w zupełności wystarczy aby zegar

stał stabilnie. Warto jest wyposażyć dolną pły-

tę w jakieś gumowe nóżki, dzięki czemu cała

konstrukcja podczas pracy będzie stała jeszcze

stabilniej. Do górnej płyty podstawy przymoco-

wana jest płytka drukowana z układem elek-

tronicznym, do jej zamocowania użyłem sze-

ściokątnych kołków dystansowych, które słu-

żyły wcześniej do utrzymywania płyty głównej

w obudowie komputera PC. Kołki te wkręciłem

ciasno w wywiercone wcześniej, nieco węższe

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R1...R4: 1 k V

R5: 4,7 k V

R6: 10 k V pot. montażowy wieloobrotowy

R7...R12: 10 k V

R13...R19: 200 V

Kondensatory

C1: 4,7 m F (patrz tekst)

C2...C5: 100 nF

C6: 470 m F

C7: 100 m F

C8: 1 m F

D1...D7: LED zielona

D8, D9: 1N4007

D10, D11: 1N4148

T1, T2: BC211

T3: BC548

U1: LM7805 w obudowie TO-220

U2: NE555

U3: AT90S2313 (ATTiny2313)

U4: PCF8583P

Inne

Y1: Rezonator kwarcowy 12 MHz

Y2: Rezonator kwarcowy „zegarkowy”

32,768 kHz

BT1: Bateria CR2032

S1, S2: Microswitch

J1...J3: Złącza

Konstrukcja mechaniczna

Ważnym elementem przedstawionego ze-

gara jest konstrukcja mechaniczna widoczna

na zdjęciach. Zasadniczym elementem jest tutaj

zamocowany pionowo plastikowe ramię stano-

wiące wahadło, na którego końcu umieszczo-

ne są diody LED. Ramię to jest zamocowane

sztywno do płyty PCV będącej podstawą urzą-

dzenia. W płycie wycięta jest szczelina, w którą

koniec ramienia jest wsunięty i przymocowany

od spodu za pomocą dwóch aluminiowych ką-

towników. Podstawa jest dwupoziomowa, aby

między płyty można było wsunąć ciężarki. Zegar

z uwagi na zasadę działania wymaga balastu,

aby po włączeniu nie zaczął „tańczyć” po stole.

Ja jako tego balastu użyłem dwóch ołowianych

odważników do nurkowania o łącznej masie

Na CD karty katalogowe i noty aplikacyjne elementów oznaczonych na Wykazie Elementów kolorem czerwonym

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2009

Excellence in Electronics

niż średnica gwintu kołków otwory w płycie,

dzięki czemu nic od spodu nie wystaje i nie

trzeba używać nakrętek. Do ramienia przymo-

cowane są po bokach dwa magnesy neodymo-

we (ja zastosowałem magnesy z dysków twar-

dych), a przy magnesach znajdują się cewki

odpowiedzialne za rozbujanie ramienia. Cewki

te w oryginalnym projekcie zostały wyjęte ze

starych liczników telefonicznych, jednak z po-

wodzeniem można zastosować cewki z więk-

szych gabarytowo przekaźników na 12 V. Elek-

tromagnesy zostały przymocowane do płyty

podstawy za pomocą kątowników aluminio-

wych. Dobrze jest zadbać o łatwość regulacji

odległości rdzeni elektromagnesów od magne-

sów zamocowanych na ramieniu, gdyż pozwoli

to na regulację amplitudy drgań ramienia. Musi

być ona na tyle duża, żeby wyświetlany obraz

nie musiał być zbyt wąski, ale z drugiej strony

na tyle mała żeby ramię nie wygięło się za moc-

no i nie przykleiło magnesem do rdzenia cewki

lub nie złamało.

Ramię zegara musi poruszać się z często-

tliwością swojego rezonansu mechanicznego,

dlatego częstotliwość pracy generatora jest za-

leżna od wymiarów oraz materiału, z którego

ramię jest zrobione, co skutkuje koniecznością

dobrania częstotliwości indywidualnie do wy-

konanej konstrukcji. Przy doborze wymiarów

ramienia i materiału z którego będzie zrobione

należy pamiętać o tym, że jego częstotliwość

drgań powinna być większa niż 15 Hz aby nie

było efektu migotania wyświetlanego obrazu.

w urządzeniu, więc jeśli dysponujemy takim

programatorem warto przy projektowaniu po-

łączeń na płytce uwzględnić złącze ISP (nie ma

go na schemacie). Rozmieszczenie elementów

i połączeń można zaplanować do końca ze

szczegółami, ale ja osobiście po takim zgrub-

nym zaplanowaniu zaczynam montaż płytki

i w trakcie montażu rozwiązania kolejnych

połączeń same się pojawiają. Układy scalone,

zwłaszcza mikrokontroler należy zamontować

w podstawkach.

Po zmontowaniu układu pierwszą czynno-

ścią jaką należy zrobić jest sprawdzenie czy ge-

nerator NE555 działa poprawnie. To jest bardzo

prosta część układu więc nikt nie powinien mieć

problemu z jego uruchomienie. Jeśli już pracu-

je, należy przy pomocy potencjometru ustawić

częstotliwość tak, aby ramię drgało jak naj-

mocniej. Jeśli przy pomocy potencjometru nie

znajdziemy częstotliwości rezonansu ramienia

to może okazać się konieczna wymiana kon-

densatora C1 na inną pojemność. Po ustawie-

niu odpowiedniej częstotliwości należy ustawić

elektromagnesy w takiej pozycji, aby amplituda

drgań była odpowiednia, o czym napisałem

wcześniej.

Po uzyskaniu takiego stanu należy włożyć

mikrokontroler w podstawkę i wgrać skompi-

lowany wcześniej program, lub jeśli nie korzy-

stamy z ISP program należy wgrać wcześniej.

Po włączeniu urządzenia diody powinny już

coś wyświetlać, jednak może to być niecz ytelne

z powodu niedobranych odstępów czasowych.

Wówczas należy samodzielnie dobrać wartości

opóźnień związanych z odległością obrazu od

skrajnej pozycji wahadła, szerokością wyświe-

tlanego znaku oraz odstępu między znakami

a następnie po ponownym skompilowaniu pro-

gramu wgrać go do pamięci mikroprocesora.

Ta konstrukcja może oczywiście wyświetlać

nie tylko czas ale również dowolny tekst, to je-

dynie kwestia programowa. Dlatego zachęcam

do samodzielnego eksperymentowania z mo-

dyﬁkacją programu. Znaki są zapisane w takiej

samej postaci jak w wyświetlaczach alfanu-

merycznych LCD (5×7 pikseli) więc jeśli chodzi

o litery i inne znaki alfanumeryczne nie trzeba

ich wymyślać po pikselu tylko można znaleźć

ich gotowe rysunki w notach katalogowych

wyświetlaczy.

ALL YOU NEED!

LEDs

Äußerst wettbewerbsfähige,

Montaż płytki drukowanej

Prezentowany model zegara został wyko-

nany na płytce uniwersalnej, dlatego brak w ar-

tykule wzoru ścieżek. Wymiary zastosowanej

płytki to 65×85 mm. W przypadku konstruo-

wania układu na płytce uniwersalnej najpierw

należy ustawić na niej luźno kluczowe elementy

(układy scalone, elementy o dużych gabary-

tach) w odpowiednich miejscach, a następnie

z grubsza zaplanować połączenia które trzeba

będzie wykonać. Należy pamiętać, że złącza

powinny znajdować się na krawędziach płyt-

ki, oraz o tym że na rogach musi znaleźć się

miejsce na otwory pod śruby mocujące. Zasto-

sowany w zegarze procesor posiada interfejs

ISP (In System Programming), pozwalającą pro-

gramować go bez wyjmowania go z podstawki

lückenlose Palette in

sämtlichen Farben

Fertigung erfolgt zu 100% in

eigenen, kapazitätsstarken

Produktionsstätten mit

höchstem Qualitätsniveau

Die PicoLED besitzt mit einer

Höhe von 0,2 mm das flachste

0402-Gehäuse der Welt

Karol Łuszcz

ANWENDUNGEN

Ideal geeignet für Consumer-,

Industrie- und Automotive-Anwendungen.

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2009

www.rohmeurope.com

Wahadłowy zegar widmowy

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: