Ρολόι Arduino 60Hz: 8 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:35

Αυτό το ψηφιακό ρολόι με βάση το Arduino συγχρονίζεται με τη γραμμή ισχύος 60Hz. Διαθέτει μια απλή και φθηνή κοινή άνοδο 4ψήφια οθόνη 7 τμημάτων που δείχνει ώρες και λεπτά. Χρησιμοποιεί έναν ανιχνευτή διασταύρωσης για να ανιχνεύσει πότε το εισερχόμενο ημιτονοειδές κύμα 60Hz διασχίζει το σημείο μηδενικής τάσης και παράγει ένα τετραγωνικό κύμα 60 Hz.

Σε σύντομες χρονικές περιόδους, η συχνότητα του εισερχόμενου ημιτονοειδούς κύματος από τη γραμμή ισχύος μπορεί να διαφέρει πολύ ελαφρώς λόγω φορτίου, αλλά για μεγάλα χρονικά διαστήματα κατά μέσο όρο στα 60Hz με μεγάλη ακρίβεια. Μπορούμε να το εκμεταλλευτούμε για να αντλήσουμε μια πηγή χρονισμού για συγχρονισμό του ρολογιού μας.

Βήμα 1: Βήμα 1: Διαγράμματα

Υπάρχουν δύο εκδόσεις του κυκλώματος ανάλογα με το αν θέλετε να χρησιμοποιήσετε μετασχηματιστή με κεντρική βρύση ή έναν χωρίς, σε κάθε περίπτωση η λειτουργία του κυκλώματος είναι σχεδόν πανομοιότυπη. Για αυτήν την κατασκευή χρησιμοποίησα έναν προσαρμογέα τοίχου (χωρίς κεντρική βρύση) που εξάγει 12V AC. Θα χρησιμοποιήσω αυτό το σχέδιο (Digital Clock1 Circuit Diagram) για την περιγραφή του κυκλώματος. Σημειώστε ότι είναι σημαντικό να χρησιμοποιήσετε έναν προσαρμογέα τοίχου που εξάγει 12V AC και όχι 12V DC, ώστε να μπορούμε να πατήσουμε στο ημιτονοειδές κύμα AC για χρονισμό. Θα μπορούσατε επίσης να χρησιμοποιήσετε έναν μετασχηματιστή που εξάγει 9V AC, αφαιρέστε το R19 και ενεργοποιήστε τον επίσης, αλλά τα 12V είναι πολύ συχνά διαθέσιμα. Έτσι λειτουργεί το κύκλωμα:

120V AC στα 60Hz μετατρέπεται σε 12V AC με μετασχηματιστή TR1. Αυτό τροφοδοτείται στη δίοδο D4 και διορθώνεται έτσι ώστε μόνο η τάση +ve να τροφοδοτείται και να εξομαλύνεται σε περίπου DC με κυματισμό, από τον πυκνωτή C3. Η τάση στο C3 τροφοδοτείται στον ρυθμιστή τάσης 7805 (U6) μέσω αντίστασης R19. Το R19 χρησιμοποιείται για τη μείωση της τάσης στο C3, το οποίο στην περίπτωσή μου μετρήθηκε σε περίπου 15VDC. Αυτό μπορεί να ρυθμιστεί από το 7805 αλλά με αυτό το επίπεδο εισόδου το 7805 πρέπει να πέσει περίπου 10VDC και ως εκ τούτου ζεσταίνεται αρκετά. Χρησιμοποιώντας το R19 για την πτώση της τάσης σε περίπου 10VDC εμποδίζουμε το U6 να ζεσταθεί πολύ. Αυτή λοιπόν δεν είναι μια αποτελεσματική τεχνική μετατροπής ισχύος, αλλά λειτουργεί για τους σκοπούς μας. ΣΗΜΕΙΩΣΗ: χρησιμοποιήστε τουλάχιστον μια αντίσταση 1/2W ή περισσότερο εδώ. Το κύκλωμα αντλεί περίπου 55 ma, οπότε η κατανάλωση ισχύος στο R19 είναι περίπου 1/3W με βάση P = I ** 2*R ή P = 55ma x 55ma x 120 ohms = 0.363W. Το επόμενο U6 εξάγει καθαρό 5V DC με C4 και C5 στην έξοδο για να φιλτράρει κάθε θόρυβο στη γραμμή ισχύος 5V. Αυτό το 5V DC τροφοδοτεί όλα τα IC στην πλακέτα. Από το TR1 παίρνουμε επίσης ένα δείγμα του μη φιλτραρισμένου σήματος AC και το τροφοδοτούμε με ποτενσιόμετρο RV1, το οποίο χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της στάθμης που τροφοδοτείται στον ανιχνευτή διασταύρωσης. Τα R18 και R17 σχηματίζουν ένα διαχωριστή τάσης για να μειώσουν περαιτέρω το επίπεδο της τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος. Θυμηθείτε ότι αυτό έρχεται σε 12V AC και πρέπει να το μειώσουμε σε λιγότερο από 5 V έτσι ώστε να λειτουργεί με τον ανιχνευτή διασταύρωσης που είναι μόνο τροφοδοτείται από 5VDC. Τα R15 και R16 παρέχουν περιορισμό ρεύματος ενώ τα D1 και D2 προορίζονται να αποτρέψουν την υπερβολική οδήγηση op-amp U5. Στη διαμόρφωση που εμφανίζεται, η έξοδος του U5 στον πείρο 1 εναλλάσσεται μεταξύ +5V και 0V κάθε φορά που το εισερχόμενο ημιτονοειδές κύμα αλλάζει από θετικό σε αρνητικό. Αυτό δημιουργεί ένα τετραγωνικό κύμα 60 Hz το οποίο τροφοδοτείται στον μικροελεγκτή, U4. Το πρόγραμμα που φορτώνεται στο U4 στη συνέχεια χρησιμοποιεί αυτό το τετραγωνικό κύμα 60Hz για να αυξήσει το ρολόι κάθε λεπτό και ώρα. Πώς γίνεται αυτό θα συζητηθεί στην ενότητα του προγράμματος λογισμικού και στα σχόλια του λογισμικού. U7, ο καταχωρητής αλλαγής 74HC595 χρησιμοποιείται επειδή έχουμε περιορισμένο αριθμό ψηφιακών ακίδων στον μικροεπεξεργαστή, επομένως χρησιμοποιείται για την επέκταση του αριθμού εξόδων. Χρησιμοποιούμε 4 ψηφιακές ακίδες στον μικροεπεξεργαστή, αλλά μπορούμε να ελέγξουμε 7 τμήματα στην οθόνη μέσω του 74HC595. Αυτό επιτυγχάνεται με τη μετατόπιση προκαθορισμένων μοτίβων δυαδικών ψηφίων, αποθηκευμένων στον μικροελεγκτή και τα οποία αντιπροσωπεύουν κάθε ψηφίο που θα εμφανιστεί, στον καταχωρητή αλλαγής. Η οθόνη που χρησιμοποιείται εδώ είναι κοινή άνοδος, οπότε πρέπει να αντιστρέψουμε τα επίπεδα σήματος που βγαίνουν από το 74HC595 για να ενεργοποιήσουμε ένα τμήμα. Όταν πρέπει να ενεργοποιηθεί ένα τμήμα, το σήμα που βγαίνει από τον πείρο εξόδου 74HC595 θα είναι στα +5V, αλλά χρειαζόμαστε τον πείρο που τροφοδοτεί στην οθόνη να είναι 0V για να ενεργοποιήσουμε αυτό το τμήμα οθόνης. Έτσι για να γίνει αυτό χρειαζόμαστε εξάγωνους μετατροπείς U2 και U3. Δυστυχώς, ένα IC inverter μπορεί να χειριστεί μόνο 6 αναστροφές, οπότε χρειαζόμαστε δύο από αυτές, παρόλο που στη δεύτερη χρησιμοποιούμε μόνο μία από τις 6 πύλες. Σπατάλη δυστυχώς. Μπορείτε να ρωτήσετε γιατί να μην χρησιμοποιήσετε μια κοινή οθόνη τύπου καθόδου εδώ και να εξαλείψετε τα U2 και U3; Λοιπόν, η απάντηση είναι ότι μπορείτε, τυχαίνει να έχω έναν κοινό τύπο ανόδου στην παροχή ανταλλακτικών μου. Εάν έχετε ή θέλετε να χρησιμοποιήσετε μια κοινή οθόνη τύπου καθόδου, απλώς εξαλείψτε τα U2 και U3 και επανασυνδέστε το Q1 - Q4, έτσι ώστε οι συλλέκτες τρανζίστορ να είναι συνδεδεμένοι στις ακίδες της οθόνης και οι εκπομπές τρανζίστορ να είναι συνδεδεμένοι στη γείωση. Q1 - Q4 ελέγχουν ποια από τις τέσσερις οθόνες των 7 τμημάτων είναι ενεργή. Αυτό ελέγχεται από τον μικροελεγκτή, μέσω των ακίδων που συνδέονται με τη βάση των τρανζίστορ Q1 - Q4. Τα κουμπιά προσαύξησης και ρύθμισης θα χρησιμοποιηθούν για να ρυθμίσετε χειροκίνητα τον σωστό χρόνο ρολογιού όταν πρόκειται για πραγματική χρήση του ρολογιού. Όταν πατηθεί το κουμπί Set (Ρύθμιση) μία φορά, το κουμπί αύξησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περάσει τις ώρες που εμφανίζονται στην οθόνη. Όταν πατήσετε ξανά το κουμπί Set, το κουμπί αύξησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περάσετε τα λεπτά που εμφανίζονται στην οθόνη. Όταν πατηθεί το κουμπί Set για τρίτη φορά, έχει ρυθμιστεί η ώρα. Τα R13 και R14 τραβούν χαμηλά τις ακίδες του μικροελεγκτή που σχετίζονται με αυτά τα κουμπιά όταν δεν χρησιμοποιούνται. Σημειώστε ότι εδώ αφαιρέσαμε το U4 (Atmega328p) από τον τυπικό πίνακα πρωτότυπων Arduino UNO και το τοποθετήσαμε στον πίνακα πρωτοτύπων με το υπόλοιπο κύκλωμά μας. Για να γίνει αυτό, πρέπει τουλάχιστον να παρέχουμε κρύσταλλο Χ1 και πυκνωτές C1 και C2 για να παρέχουμε μια πηγή ρολογιού για τον μικροελεγκτή, γραβάτα 1, τον πείρο επαναφοράς, υψηλή και να παρέχουμε ισχύ 5VDC.

Βήμα 2: Βήμα 2: Πρωτότυπο Breadboard

Ανεξάρτητα από το αν χτίζετε το κύκλωμα ακριβώς όπως φαίνεται στο διάγραμμα κυκλώματος ή ίσως χρησιμοποιείτε έναν ελαφρώς διαφορετικό μετασχηματιστή, τύπο οθόνης ή άλλα εξαρτήματα, θα πρέπει πρώτα να κάνετε το κύκλωμα για να διασφαλίσετε ότι λειτουργεί και ότι καταλαβαίνετε πώς λειτουργεί.

Στις εικόνες μπορείτε να δείτε ότι το ψωμί για ολόκληρο το πράγμα απαιτούσε μερικές σανίδες καθώς και έναν πίνακα Arduino Uno. Έτσι, για να προγραμματίσετε τον μικροελεγκτή ή να πειραματιστείτε ή να κάνετε αλλαγές στο λογισμικό, θα χρειαστείτε αρχικά το IC μικροελεγκτή σε μια πλακέτα UNO, ώστε να μπορείτε να συνδέσετε ένα καλώδιο USB σε αυτόν και τον υπολογιστή σας για να ανεβάσετε το πρόγραμμα ή να κάνετε αλλαγές λογισμικού. Μόλις ενεργοποιήσετε το ρολόι στον πίνακα ψωμιού και προγραμματίσετε τον μικροελεγκτή σας, μπορείτε να το αποσυνδέσετε και να το συνδέσετε στην πρίζα στο τελικό σας μόνιμο ρολόι κατασκευής στον πίνακα πρωτοτύπων. Φροντίστε να ακολουθείτε αντιστατικές προφυλάξεις όταν το κάνετε αυτό. Χρησιμοποιήστε αντιστατικό ιμάντα καρπού ενώ χειρίζεστε τον μικροεπεξεργαστή.

Βήμα 3: Βήμα 3: Τελική κατασκευή

Το κύκλωμα είναι κατασκευασμένο σε ένα κομμάτι πρωτότυπης σανίδας και ενσύρματο σημείο προς σημείο χρησιμοποιώντας σύρμα περιτύλιξης σύρματος #30 AWG. Παρέχει ένα σκληρό και αξιόπιστο αποτέλεσμα. Επειδή ο μετασχηματιστής που έχω έχει ένα αρσενικό βύσμα 5mm στο άκρο του καλωδίου, τοποθέτησα το αντίστοιχο θηλυκό δοχείο στο πίσω μέρος του σκάφους κόβοντας, λυγίζοντας και τρυπώντας ένα κομμάτι πλάτους 1/2 ευρείας λωρίδας αλουμινίου για να κάνω μια συνήθεια στηρίξτε και στη συνέχεια βιδώστε την στην πλακέτα με μικρά 4-40 παξιμάδια και μπουλόνια. Μπορείτε απλά να κόψετε το βύσμα και να κολλήσετε τα υπόλοιπα καλώδια τροφοδοσίας στην πλακέτα και να εξοικονομήσετε περίπου 20 λεπτά εργασίας, αλλά δεν ήθελα ο μετασχηματιστής να είναι μονίμως συνδεδεμένος στον πίνακα.

Βήμα 4: Βήμα 4: Δημιουργία πρίζας για την οθόνη και παροχή ποδιών

Επειδή η οθόνη έχει 16 ακίδες, 8 μία κάθε πλευρά, με διάκενο πείρου μεγαλύτερο από μια τυπική υποδοχή IC 16 ακίδων, πρέπει να προσαρμόσουμε το μέγεθος της πρίζας ώστε να ταιριάζει στην οθόνη. Μπορείτε να το κάνετε αυτό χρησιμοποιώντας απλά ένα ζευγάρι κοπτών σύρματος για να σπάσετε το πλαστικό που συνδέει τις δύο πλευρές της πρίζας, να τα χωρίσετε και να τα κολλήσετε ξεχωριστά στον πίνακα με ένα διάστημα που ταιριάζει με το διάστημα των ακίδων στην οθόνη. Είναι πλεονεκτικό να το κάνετε αυτό, ώστε να μην χρειάζεται να κολλήσετε απευθείας στις ακίδες της οθόνης και να εκθέσετε την οθόνη σε υπερβολική θερμότητα. Μπορείτε να δείτε την πρίζα στην οποία το έχω κάνει στο πάνω μέρος του πίνακα στην παραπάνω εικόνα.

Προκειμένου η οθόνη να σταθεί σωστά, έβγαλα δύο μπουλόνια 1 στις δύο κάτω γωνιακές οπές του πίνακα πρωτότυπου, όπως φαίνεται στις φωτογραφίες για να κάνω μια απλή βάση. Αυτό ήταν αρκετά απογοητευτικό, οπότε αν το κάνετε αυτό, ίσως θέλουν να βάλουν κάτι βαρύ στο πίσω μέρος των μπουλονιών για να το σταθεροποιήσουν.

Βήμα 5: Βήμα 5: Έλεγχος της καλωδίωσης της πλακέτας κυκλωμάτων και προετοιμασία για βαθμονόμηση

Μόλις συνδεθεί η πλακέτα κυκλώματος, αλλά πριν συνδέσετε τα IC ή την οθόνη ή την ενεργοποιήσετε, είναι καλή ιδέα να ελέγξετε τις συνδέσεις της πλακέτας με ένα DVM. Μπορείτε να ρυθμίσετε τα περισσότερα DVM έτσι ώστε να ακούγονται μπιπ όταν υπάρχει συνέχεια. Ρυθμίστε το DVM σε αυτήν τη λειτουργία και, στη συνέχεια, ακολουθώντας το διάγραμμα κυκλώματος, ελέγξτε όσο το δυνατόν περισσότερες συνδέσεις κυκλώματος. Ελέγξτε για ανοιχτό κύκλωμα ή κοντά σε αυτό, μεταξύ των σημείων +5V και Ground. Ελέγξτε οπτικά ότι όλα τα στοιχεία είναι συνδεδεμένα στις σωστές ακίδες.

Στη συνέχεια, συνδέστε τον μετασχηματιστή σας στο κύκλωμα και ενεργοποιήστε τον. Βεβαιωθείτε ότι έχετε ακριβώς 5V DC στη ράγα ισχύος 5V είτε με εμβέλεια είτε με DVM πριν συνδέσετε τυχόν IC ή την οθόνη. Επόμενο βύσμα ΜΟΝΟ στο IC Op-Amp U5 για προετοιμασία για το επόμενο βήμα. Εδώ θα ελέγξουμε ότι το εγκάρσιο κύκλωμά μας παράγει ένα τετραγωνικό κύμα και θα ρυθμίσουμε το ποτενσιόμετρο RV1 για ένα καθαρό σήμα 60 Hz.

Βήμα 6: Βήμα 6: Βαθμονόμηση κυκλώματος

Η μόνη βαθμονόμηση που πρέπει να γίνει είναι η ρύθμιση του ποτενσιόμετρου RV1 για το σωστό επίπεδο σήματος που τροφοδοτεί τον ανιχνευτή διασταύρωσης. Υπάρχουν δύο τρόποι για να το κάνετε αυτό:

1. Τοποθετήστε έναν αισθητήρα εμβέλειας στον πείρο 1 του U5 και βεβαιωθείτε ότι έχετε συνδέσει το καλώδιο γείωσης του αισθητήρα πεδίου με τη γείωση κυκλώματος. Στη συνέχεια, ρυθμίστε το RV1 μέχρι να έχετε ένα καθαρό τετραγωνικό κύμα όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα. Εάν ρυθμίσετε το RV1 πολύ μακριά με τον έναν ή τον άλλο τρόπο είτε δεν θα έχετε τετραγωνικό κύμα είτε παραμορφωμένο τετραγωνικό κύμα. Βεβαιωθείτε ότι η συχνότητα του τετραγωνικού κύματος είναι 60 Hz. Εάν έχετε ένα σύγχρονο πεδίο εφαρμογής, πιθανότατα θα σας πει τη συχνότητα. Εάν έχετε μια αρχαία εμβέλεια όπως εγώ, βεβαιωθείτε ότι η περίοδος τετραγωνικού κύματος είναι περίπου 16,66ms ή 1/60 δευτερόλεπτα. 2. Με τη χρήση μετρητή συχνοτήτων ή DVM σε λειτουργία συχνότητας μετρήστε τη συχνότητα στο pin 1 του U5 και ρυθμίστε το RV1 για ακριβώς 60 Hz. Μόλις ολοκληρωθεί αυτή η βαθμονόμηση, απενεργοποιήστε το κύκλωμα και συνδέστε όλα τα IC και την οθόνη για να ολοκληρώσετε την κατασκευή του κυκλώματος.

Βήμα 7: Βήμα 7: Το πρόγραμμα Arduino

Το πρόγραμμα σχολιάζεται πλήρως, ώστε να μπορείτε να καταλάβετε τις λεπτομέρειες κάθε βήματος. Λόγω της πολυπλοκότητας του προγράμματος, είναι δύσκολο να περιγραφεί κάθε βήμα, αλλά σε πολύ υψηλό επίπεδο λειτουργεί ως εξής:

Ο μικροεπεξεργαστής λαμβάνει το εισερχόμενο τετραγωνικό κύμα 60 Hz και μετρά 60 κύκλους και αυξάνει τον αριθμό των δευτερολέπτων μετά από κάθε 60 κύκλους. Μόλις η καταμέτρηση των δευτερολέπτων φτάσει τα 60 δευτερόλεπτα ή 3600 κύκλους, ο αριθμός των λεπτών αυξάνεται και η καταμέτρηση των δευτερολέπτων μηδενίζεται. Μόλις η καταμέτρηση των λεπτών φτάσει τα 60 λεπτά, ο αριθμός των ωρών αυξάνεται και ο αριθμός των λεπτών μηδενίζεται. η καταμέτρηση των ωρών επαναφέρεται στο 1 μετά από 13 ώρες, οπότε αυτό είναι ένα ρολόι 12 ωρών. Εάν θέλετε 24ωρο ρολόι, απλώς αλλάξτε το πρόγραμμα για να μηδενίσετε τις ώρες μετά από 24 ώρες. Αυτό είναι ένα πειραματικό έργο, οπότε προσπάθησα να χρησιμοποιήσω έναν βρόχο Do-while για να καταστείλω την αναπήδηση του διακόπτη στα κουμπιά Ορισμός και Αύξηση. Λειτουργεί αρκετά καλά. Όταν πατήσετε το κουμπί Set μία φορά, το κουμπί αύξησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περάσετε τις ώρες που εμφανίζονται στην οθόνη. Όταν πατήσετε ξανά το κουμπί Set, το κουμπί αύξησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περάσετε τα λεπτά που εμφανίζονται στην οθόνη. Όταν πατηθεί το κουμπί Set για τρίτη φορά, ορίζεται η ώρα και το ρολόι αρχίζει να λειτουργεί. Τα μοτίβα 0 και 1 που χρησιμοποιούνται για την εμφάνιση κάθε αριθμού στις οθόνες των 7 τμημάτων αποθηκεύονται στον πίνακα που ονομάζεται Seven_Seg. Ανάλογα με τον τρέχοντα χρόνο ρολογιού, αυτά τα μοτίβα τροφοδοτούνται στο IC 74HC595 και αποστέλλονται στην οθόνη. Ποιο από τα 4 ψηφία της οθόνης είναι ενεργοποιημένο ανά πάσα στιγμή για να λάβει αυτά τα δεδομένα, ελέγχεται από τον μικροεπεξεργαστή μέσω της οθόνης Dig 1, 2, 3, 4 pins. Όταν το κύκλωμα ενεργοποιείται, το πρόγραμμα εκτελεί πρώτα μια δοκιμαστική ρουτίνα που ονομάζεται Test_Clock, η οποία στέλνει τα σωστά ψηφία για να φωτίζει κάθε οθόνη με μέτρηση από 0 έως 9. Έτσι, αν το δείτε όταν ενεργοποιείτε, γνωρίζετε ότι έχετε δημιουργήσει τα πάντα σωστά Το

Βήμα 8: Βήμα 8: Προσφορά PCBWay

Αυτό ολοκληρώνει αυτήν την ανάρτηση, αλλά ο χορηγός αυτού του έργου είναι το PCBWay, ο οποίος εκείνη τη στιγμή γιορτάζει την 5η επέτειό τους. Ρίξτε μια ματιά στη διεύθυνση https://www.pcbway.com/anniversary5sales.html και μην ξεχνάτε ότι η υπηρεσία συναρμολόγησής τους είναι τώρα τόσο χαμηλή όσο $ 30.