Годинник цифровий

Годинник цифровий

Вступ

Цифрова техніка є областю, що швидко розвивається, в імпульсній техніці. Вона підняла на новий якісний ступінь засобу зв'язку, радіолокацію, викликала появу автоматизованих систем управління підприємствами і цілими галузями народного господарства, комплексів для обробки різних видів інформації.

Особливо широке застосування знайшли цифрові пристрої в електронно-обчислювальній техніці. Особливо, електронні обчислювальні машини (ЕОМ),які в даний час самими універсальними. Всі вузли ЕОМ містять елементи цифрової техніки, за допомогою яких здійснюється запам'ятовування і зберігання інформації, управління обчислювальним процесом, введення і висновок інформації в ЕОМ. Успіхи в області розробки швидкодійних елементів цифрової техніки дозволили створити ЕОМ, виконуючі десятки мільйонів арифметичних операцій в секунду.

Принципово нові можливості відкриває застосування цифрових інтегральних схем в радіомовленні і радіозв'язку. Обробка сигналів цифровими методами дозволяє забезпечити високу точність, стабільність параметрів і отримати характеристики, не досяжні аналоговими методам.

Цифрова схемотехніка інтенсивно упроваджується в радіоприймальну апаратуру. Завдяки використанню цифрових пристроїв в радіомовних приймачах забезпечуються принципово нові споживацькі зручності - можливість відображення на дисплеї всієї інформації, необхідної для контролю і експлуатації апаратури.

На базі цифрових пристроїв можна реалізувати прості автоматичні пристрої з широкими функціональними можливостями. Промисловістю у великих кількостях випускаються дешеві цифрові мікросхеми, окремі серії яких є надзвичайно надійними і не виходять з ладу практично при будь-яких помилках в монтажі радіопристрою. Це також є незаперечною перевагою цифрових інтегральних схем (ЦІС), обумовлюючи їх широке застосування.

Тема курсової роботи - «Цифровий годинник» була вибрана, тому що:

) годинник є необхідним предметом в кожному будинку;

) цифровий годинник більш точний, ніж кварцовий і механічний;

) цифровий годинник є простим у зборці.

Аналітичний огляд літературних джерел

Перший запропонований варіант реалізації електронного цифрового годинника.

Так, в журналі "В допомогу радіоаматору" випуск 106 приведена схема електронного годинника з деталей радіоконструктора. На структурній схемі показано, що основою годинника служить велика інтегральна мікросхема DD, що містить блок зразкової частоти кварцового генератора G і оперативний пристрій ОУ, до якої підключають цифрові індикатори HG1 - HG4, блок управління годинником БУ і акустичний перетворювач HA. Перетворювач напруги ПН забезпечує живленням всі ланцюги і вузли годинника від одного загального джерела постійного струму напругою 12 В. А оперативний пристрій, що керує знакосинтезуючими індикаторами, забезпечує роботу як секундоміра так і будильника.

Джерелом живлення може служити акумуляторна батарея напругою 12 В (якщо годинник передбачається встановити в автомобілі) або випрямляч з такою ж вихідною напругою постійного струму. Споживаний струм від джерела напругою 12 В не перевищує 200 мА. Точність ходу годинника не гірше ±1 секунда в доба.

На електричній принциповій схемі годинника показано, що джерелом живлення мікросхеми DD1 служить стабілізатор напруги на стабілітроні VD1 і транзисторі VT1. Стабілізована напруга 15 В подається на виводи 15 і 12 мікросхеми. Власна частота кварцового резонатора ZQ1 рівна 32768 Гц. Кнопкові вимикачі SB1 - SB2 утворюють блок управління оперативним пристроєм мікросхеми, який забезпечує управління цифровими індикаторами HG1 - HG4.

Знакосинтезуючий індикатор ВЕРБ - 3А є електронною лампою з катодом прямого напруження (виводи 7, 8), всіма анодами з окремими виводами (1-6, 10 і 11) і загальною управляючою сіткою (вивід 9). Сім анодів виконано у вигляді вузьких смужок, створюючих стилізовану цифру 8, а восьмий - у вигляді крапки.

В годиннику спільні аноди - елементи цифрових знаків всіх індикаторів сполучені між собою і підключені до відповідних виводів мікросхеми. На них в певні моменти часу з оперативного пристрою подається закодований сигнал, що синтезує один з елементів цифр. Одночасно на сітки індикаторів подається управляючий сигнал. В результаті одночасної дії сигналів коду і керівника на індикаторах висвічуються цифри від нуля до дев'яти. Індикатори HG1 і HG2 висвічують годинник, а HG3 і HG4 - хвилини поточного часу. Знак крапки в другому індикаторі, відділяючий значення годинника від хвилин, горить постійно.

Натисненням на кнопку SB1 <<К>> блоку управління коректують свідчення індикаторами поточного часу і часу автоматичного включення звукового сигналу будильника. Кнопкою SB5 <<Ч>> встановлюють години, а кнопкою SB4 <<М>> - хвилини поточного часу. Кнопка SB2 <<С>> служить для переключення годинника в режим рахунку секунд поточного часу і на роботу як секундоміра з нульових значень часу. Кнопкою SB3 <<Б>> включають чекаючий режим будильника; при збігу заздалегідь встановленого і поточного часу п’єзокерамічний дзвінок HA1, підключений до виводу 10 мікросхеми, видає звуковий сигнал частотою близько 2 кГц.

Підстроєчним конденсатором C1, що входить в кварцовий генератор зразкової частоти, можна коректувати точність <<ходу>> годинника.

Нитки напруження знакових індикаторів сполучені паралельно і живляться від загального джерела напругою 12 вольт через шунтуючий резистор R18. Дільник напруги R16 R17 і двоханодний стабілітрон VD2 утворюють середню точку ниток напруження, щодо якої на елементи індикаторів подається через резистори R4 - R15 від’ємна напруга для усунення мерехтіння елементів цифр, що відображаються.

Друга схема електронного годинника приведена в журналі «В допомогу радіоаматору» випуск 112. Це схема електронного годинника з календарем.

В такому годиннику введена індикація днів тижня в буквеному вигляді на семисегментних індикаторах і схема автоматичної зміни інформації на індикаторах, які дві секунди висвічують час доби, а наступні дві секунди - стан календаря.

Інформація про поточний день тижня з висновків 7, 9, 10 мікросхеми К176ИЕ17 календаря перетвориться дешифратором DD1 з двійкового коду в позиційний десятковий 1, 2, 3, 7. На транзисторах VT1 - VT7 сигнал з дешифраторів посилюється, інвертується і подається на діодний шифратор виконаний на діодах VD1 - VD23, який формує управляючі напруги на окремі елементи індикаторів HG1, HG2.

Управління інформацією здійснюється мікросхемами DD2, DD3, створюючими дільника частоти, який ділить частоту один герц на чотири. З виходу дільника одиничні імпульси тривалістю дві секунди з висновку 13 мікросхеми DD2 поступають на вивід 2 мікросхеми К176ИЕ13. Коли на виводі 13 мікросхеми DD2 рівень логічної одиниці переходить в рівень логічного нуля, на виводі 12 з'являється рівень логічної одиниці, який подається на вхід мікросхеми К176ИЕ17 календаря.

При установці свідчень годинника, а також при необхідності постійної індикації часу доби або календаря необхідно протягом відповідних свідчень включити тумблер SA1, який забороняє проходження імпульсів частотою один герц і зупиняє роботу дільника частоти. При включеному тумблері SA1 відбувається періодична зміна індикації інформації з будильника і дня тижня.

Синхронізація установки свідчення годинника з свідченнями індикаторів здійснюється на мікросхемі DD3. Після установки годинника відключенням тумблера SA1 схема повертається в початковий стан.

Транзистор VT8 синхронізує свідчення календаря з свідченнями індикаторів днів тижня, тобто інформація про дні тижня відображається тільки під час індикації календаря.

Якщо немає необхідності періодичної індикації дня тижня, то схема доробки реалізується всього на двох мікросхемах DD2 і DD3. В цьому випадку в годиннику залишається чотири індикатори HG1 - HG4, які з періодом дві секунди показують дату і поточний час доби.

Запропонований третій варіант реалізації електронного цифрового годинника БІС на польових транзисторах.

В цій схемі основою служить БІС на польових транзисторах яка забезпечує всі необхідні сигнали для управління індикатором HG1. Відлік часу відбувається за допомогою подачі певної частоти на мікросхему кварцовим резонатором, в ньому є коректор для підстроювання правильного відліку часу. Мікросхемою управляє за допомогою дев'яти кнопок SB1-SB9.

Даний годинник працює від мережі 220 Вольт 50 Герц, потрібна напруга для живлення всіх електричних вузлів забезпечує трансформатор. Для нормальної роботи электроннопроменевого індикатора на катод з трансформатора подається змінна напруга 4, 5 вольти, решту живлення і сигналів подає мікросхема. Для живлення мікросхеми у блоку живлення стоїть випрямляч і стабілізатор напруги, за допомогою яких БІС забезпечується живленням - 25 вольт.

Для розширення можливостей мікросхеми в журналі радіо №6 описана приставка-будильник до цього годинника, яка представляє звуковий генератор і працює від - 9 вольт. Для реалізації цієї схеми щоб отримати - 9 вольт треба: зібрати помножувач напруги, випрямляч і перетворювач.

Електронний годинник працює в режимах: відлік і видача на індикатор значення поточного часу з можливістю його корекції і обнулення (в годиннику і хвилинах, а по спеціальній команді - в хвилинах і секундах): зворотний відлік наперед встановленого часу з видачею управляючого сигналу по його закінченні з максимальною витримкою 59мин. 59 сек.; видача управляючих сигналів при збігу поточного часу з наперед встановленими значеннями в двох незалежних регістрах (режим «Будильник 1» і «Будильник 2»); зупинка індикації поточного часу з продовженням його відліку.

Конструкторська розробка

В книжці «Занимательная электроника» Ю. Ревича була запропонована схема цифрового годинника на мікроконтролері, фірми Atmel, ATtiny 2313, яку було взято за основу при розробці цифрового годинника для курсового проекту.

Оскільки у книжці була запропонована схема з будильником та індикатором розрядження батареї ії було перероблена на більш просту та актуальну схему звичайного цифрового годинника, який відображає лише ГГ:ХвХв.

Для вибору МК достатньо порахувати кількість виводів яка нам необхідна для реалізації цифрового годинника. По-перше нам необхідно керувати чотирма розрядами семи сегментного індикатора. Індикація буде проводитись у динамічному режимі, коли в деякий момент часу, і в той же час на сегменти, які з’єднані паралельно між собою, подається код, який відповідає саме цьому розряду індикаторів. При чотирьох розрядах необхідна кількість виводів складає: 7х4=28, але оскільки використовується динамічний режим необхідно лише: 7+4=11 виводів. А також нам потрібно врахувати символ, який розділяє години і хвилини,в нашому випадку це буде точка dp2, та дві кнопки встановлення поточного часу - це ще 3 виводи. В сумі отримуємо 11+3=14 виводів, оскільки в МК 5 виводів використовуються для системних потреб маємо 14+5=19, а це на 1вивід менше ніж у МК ATtiny 2313, що випускається у корпусі з 20 виводами. Саме через ці причини для курсового проекту був вибраний МК ATtiny 2113.

Оскільки для відображення поточного часу використовується чотирирозрядний семисегментний індикатор з динамічною індикацією схема спрощується та складається з:

1. МК ATtiny 2313;

. 4-розрядний семисегментний індикатор;

. кварцовий резонатор;

. резистори R1-R11 (які використовуються для обмеження амплітуди);

. конденсатори С1-С3;

. кнопки керування.

Короткі відомості та технічні характеристики мікроконтролера Attiny 2313.

Технічні параметри мікроконтролера Attiny 2313:

ATtiny2313 - низькоспоживаючий 8 бітний КМОН мікроконтролер з AVR RISC архітуктурою. Виконуючи команди за один цикл, ATtiny 2313 продуктивність 1 MIPS при частоті задаючого генератора 1 МГц, що дозволяє розробнику оптимізувати відношення споживання до продуктивності. AVR ядро об’єднує велику систему команд та 32 робочих регістра загального призначення.

Всі 32 регістра безпосередньо зв’язані з арифметично-логічним пристроєм (АЛП), що дозволяє отримати доступ до двох незалежних регістрів при виконанні одної команди.

У результаті ця архітектура дозволяє забезпечити в десятки разів більшої потужності, ніж стандартна CISC архітектура. ATtiny2313 має наступні характеристики: 2 КБ програмованої в системі Flash память програми, 128 байтною EEPROM память данних, 128 байтною SRAM (статистичне ОЗУ), 18 ліній входу - виходу загального призначення, 32 робочих регістра загального призначення, однопривідний інтерфейс для вбудованого відладчика, два гнучнких таймера/лічильника з схемами порівняння, внутрішні і зовнішні джерела переривання, послідовний програмуючий USART, універсальний послідовний інтерфейс з детектором стартової умови, програмуючий сторожовий таймер з вбудованим генератором і три програмно ініціалізуючих режимах пониженого споживання. В режимі Idle зупиняється ядро, але ОЗУ, таймери-лічильника і система преривань продовжують функціонувати.

В режимі Power-down регістри зберігають своє значення, але генератор зупиняється, блокуючи всі функції приладу до наступного переривання або апаратного збросу.

В Standby режимі задаючий генератор працює, в той час, як інші частини приладу не працюють.

Це дозволяє дуже швидко запустить мікропроцесор, зберігаючи при цьому в не робочому режимі потужність. Прилад виготовлений по високоплотной енергонезалежній технології виготовлення пам’яті компанії Atmel.

Вбудована ISP Flash дозволяє перепрограмовувати пам’ять програми в системі через послідовний SPI інтерфейс або звичайний програматор енергонезалежною пам’яттю. Об’єднавши в одному кристалі 8- бітне RISC ядро з само програмуючою в системі Flash пам’яттю, ATtiny2313 став потужним мікроконтролером, який дає більшу гнучкість розробника мікропроцесорних систем. ATtiny2313 підтримується різними програмними засобами та інтегруючими засобами розробки, такими як компілятори C, макроасемблери, внутрішньозамінні емулятори і ознайомчі набори.

Висновок

годинник транзистор мікроконтролер резонатор

Для відображення цифрової інформації було використано світодіодні семисегментні індикатори. Вони прості в управлінні, мають високу яскравість, широкий діапазон робочих температур і низькою вартістю. Світодіодний семисегментний індикатор представляє собою групу світодіодів розташованих у впорядкованому порядку і об'єднаних конструктивно. Сегменти позначають буквами A, B, C, D, E, G, F і восьмий сегмент - десятина точка, яка називається DP (digital point). Семисегментним індикатором можна управляти, як статистично так і динамічно. При статичному управлінні розряди індикатора підключені до мікроконтролера незалежно один від одного і інформація на них виводиться постійно. При динамічному управлінні розуміють почергове загоряння розряду індикатора з частотою, яка не сприймається людський оком.

Для задання частоти в курсовому проекті використовується кварцовий резонатор з частотою 10 MHz. Розглянемо деякі відомості про кварцові резонатори.

Кварцовим резонатором називають таку електромеханічну резонансну коливальну систему, яка складається з кристалічного елемента зі збуджуючими електродами - п’єзоелемента, кварцоутримувача та ізолюючого балона.

Їх виготовляють для досить широкого діапазону частот (від одиниць кілогерц до сотень мегагерц), для чого використовують різномаїття форм і геометричних розмірів п’єзоелементів, вирізаних із кристалічного моноблоку під різними кутами відносно його кристалографічних осей.

Будь-який кварцовий резонатор володіє певною, часто досить малою, чутливістю своїх параметрів (резонансних частот, динамічних еквівалентних параметрів) та характеристик (амплітудно-частотних, фазочастотних та ін.) до впливу сукупності різних фізичних факторів.

Будь-який кварцовий резонатор є багаторезонансою (багаточастотною) коливальною системою. Ця його властивість може бути використана для розширення функціональних можливостей та покращення точностних характеристик п’єзорезонансних пристроїв.

Список використаних літературних джерел

1.   Журнал "В допомогу радіоаматору" випуск 106, 112.

2.       Юрій Ревич «Занимательная электроника». Санкт-Петербург. «БХВ-Петербург» 2009 рік.

.        Веніамінов В.Н., Лебедев О.Н., Мірошніченко А.І. «Мікросхеми і їх застосування». Москва. «Радио і свіязь» 2009 рік.

.        Верховцев О.Р., Лютов До. П. «Практичні поради майстру - любителю» (Електроніка. Електротехніка. Матеріали і їх застосування). Санкт - Петербург. «ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ» 2010 рік.

.        Пухальській Р.І., Новосельцева Т.Я. «Проектування дискретних пристроїв на інтегральних мікросхемах» (Довідник). Москва. «Радио і свіязь» 1990 рік.

.        Колпаков Ф.Ф., Підченко С.К., «П’єзорезонансні пристрої».  Харків - Хмельницький 2008 рік.

.        Atmel Corporation, «Datasheet Atmel Attiny» 2313, 2010 рік.

Приложения

Схема електрична принципова

Креслення плати друкованої

Текст керуючої програми

.include "appnotes\tn2313def.inc"

.def Temp1=R16

.def Temp2=R17

.def Chsec=R18

.def Presskey=R19

.def Ddp=R20

.dseg:.byte 4

.cseg

.org 0ResetINT_0INT_1Timer1_capt1Timer1_comp1Timer1_OVF1Timer0_OVF0UART_RXUART_UDREUART_TXANA_COMP

;Reset:_0:_1:_capt1:

;Timer1_comp1:_OVF1:_OVF0:_RX:_UDRE:_TX:_COMP:

;************************************Ініціалізація*********************:Temp1,RamEndSPL,Temp1Temp1,0b11111111ddrb, Temp1Temp1,0b01101100ddrd, Temp1Temp1,0b01000000Timsk,Temp1Temp1,0b00000100Tccr1b,Temp1Temp1,0x3dOcr1ah,Temp1Temp1,0x09Ocr1al,Temp1Temp1,0Digit,Temp1Digit+1,Temp1Digit+2,Temp1Digit+3,Temp1Chsec,0Presskey,0Ddp,0Temp1,0Tcnt1h,Temp1Tcnt1l,Temp1

;******************** Програма *********************:DisplayPressCycle

;*******************Індикація***********************:Temp1, 0b00101100PortD,Temp1Temp1,DigitDecoderPortB,Temp1DelayTemp1, 0b01001100PortD,Temp1Temp1,Digit+1DecoderPortB,Temp1DelayTemp1, 0b01100100PortD,Temp1Temp1,Digit+2DecoderDdp,0b00000001Ddp,1 ;разностьIndicoutTemp2,0b00100000Temp1,Temp2: out PortB,Temp1DelayTemp1, 0b01101000PortD,Temp1Temp1,Digit+3DecoderPortB,Temp1Delay

;***********************Підпрограми********************

;***********************Дешифратор ********************:ZL,Low(Matrix*2)ZH,High(Matrix*2)Temp2,0ZL,Temp1ZH,Temp2Temp1,r0

;**********************************************************

;***********масив*****************************************:

; edhcgafb edhcgafb

.db 0b11010111,0b00010001 ;01

.db 0b11001101,0b01011101 ;23

.db 0b00011011,0b01011110 ;45

.db 0b11011110,0b00010101 ;67

.db 0b11011111,0b01011111 ;89

;**********************************************************

;***********затримка***************************************:Temp1,0Temp2,5: dec Temp1dllTemp2dll

;**********************************************************

;***************Обробка переривання**********************_comp1:Temp1,0Tcnt1h,Temp1Tcnt1l,Temp1DdpChsecChsec,150Output2

;================================Chsec,0

;================================Temp1,DigitTemp1Temp1,10Test2Digit,Temp1Output2

;=================================:Temp1,0Digit,Temp1Temp1,Digit+1Temp1Temp1,6Test3Digit+1,Temp1Output2

;=================================:Temp1,0Digit+1,Temp1Temp1,Digit+2Temp1Temp1,10Test4Digit+2,Temp1Output1

;=================================:Temp1,Digit+3Temp1,2Output2Temp1,Digit+2Temp1,4Output2Temp1,0Digit+2,Temp1Digit+3,Temp1:

;**********************************************************

;**************************Обробка конопок**************:Temp1,PinDTemp1,0b00000011Temp1,0b00000011Nobut

;===================================Temp1,0b00000010Press_hourTemp1,PresskeyOutpressPresskey,0b00000010Temp1,DigitTemp1Temp1,10Tst2Digit,Temp1Outpress

;=================================:Temp1,0Digit,Temp1Temp1,Digit+1Temp1Temp1,6Tst3Digit+1,Temp1Outpress

;=================================:Temp1,0Digit+1,Temp1Outpress

;******************_hour:Temp1,PresskeyOutpressPresskey,0b00000001Temp1,Digit+2Temp1Temp1,10Tst4Digit+2,Temp1Tst24

;============================:Temp1,0Digit+2,Temp1Temp1,Digit+3Temp1Digit+3,Temp1Outpress:Temp1,Digit+3Temp1,2OutpressTemp1,Digit+2Temp1,4OutpressTemp1,0Digit+2,Temp1Digit+3,Temp1Outpress:Presskey,0:;

Код hex: :020000020000FC

:100000000BC009C008C007C05EC005C004C003C063

:1000100002C001C000C018950FED0DBF0FEF07BB68

:100020000CE601BB00E409BF04E00EBD0DE30BBD0F

:1000300009E00ABD00E000936000009361000093B6

:1000400062000093630020E030E040E000E00DBD7E

:100050000CBD789402D074D0FDCF0CE202BB0091AD

:1000600060001DD008BB28D00CE402BB00916100E9

:1000700016D008BB21D004E602BB009162000FD06D

:100080004170413011F010E2010F08BB15D008E6B5

:1000900002BB0091630003D008BB0ED00895EEEAC6

:1000A000F0E010E0E00FF11FC895002D0895D71182

:1000B000CD5D1B5EDE15DF5F00E015E00A95F1F710

:1000C0001A95E1F7089500E00DBD0CBD4395239509

:1000D0002639A9F520E00091600003950A3019F057

:1000E000009360002CC000E000936000009161006C

:1000F0000395063019F00093610021C000E00093E1

:1001000061000091620003950A3019F000936200CB

:1001100009C000E000936200009163000395009322

:10012000630000C000916300023049F40091620056

:10013000043029F400E000936200009363001895F6

:1001400000B303700330F1F10230D1F4031BD9F195

:1001500032E00091600003950A3019F000936000CE

:1001600032C000E00093600000916100039506300A

:1001700019F00093610027C000E00093610023C0E4

:10018000031B09F131E00091620003950A3019F078

:100190000093620009C000E00093620000916300D8

:1001A0000395009363000FC000916300023059F47F

:1001B00000916200043039F400E000936200009383

:0801C000630001C030E0089566

:00000001FF

Технічні характеристики приладу

Джерело живлення: блок живлення з вихідною напругою 5В;

Споживана потужність: 0,75 Вт;

Точність ходу годинника: +-1с за добу;

Розмір: 45х65x15 мм.