Не так давно электронные часы строили на так называемых часовых микросхемах серии К176 и специализированных микросхемах серий К145 (К145ИК1901) и КР1016 (КР1016ВИ1). Главный их недостаток - ограниченные возможности совершенствования (любое изменение требовало аппаратной доработки). Выгодно отличаются часы, собранные на базе микроконтроллера. Схема значительно упрощается, а "апгрейд" можно проводить без каких-либо изменений аппаратной части. Даже настройка хода часов может быть чисто программной. Именно такие часы описаны в публикуемой ниже статье.
Предлагаемые часы-будильник с четырехразрядным светодиодным индикатором выполнены на базе микроконтроллера (МК) и показывают время в 24-часовом формате с гашением незначащего нуля в разряде десятков часов. Предусмотрены режим отображения минут и секунд, подача короткого (длительностью 1 с) звукового сигнала в начале каждого часа (при необходимости эту функцию можно выклю-i чить), два выключаемых будильника и программная настройка коэффициента коррекции времени, от которого зависит точность хода часов. Значение коэффициента и установки будильников записываются в энергонезависимую память (EEPROM) МК. Состояние будильников и сигнала "Каждый час" индицируется светодиодами.
Принципиальная схема устройства изображена на рис. 1. Его основа - микроконтроллер PIC16F84 (DD1), рабочая частота которого задается генератором с внешним резонатором ZQ1 на 4 МГц. Вход сброса МК (MCLR) напрямую подключен к шине питания +5 В.
Пятиразрядный порт А, все линии которого настроены на вывод, управляет светодиодом HL1 и переключает разряды индикатора HG1. Четыре старших разряда порта В (RB4-RB7) настроены на ввод и принимают управляющие сигналы от кнопок SB1- SB4, которые подключены к выводам без "подтягивающих" резисторов, потому что таковые имеются в МК. Разряды RB0 и RB1 порта В используются для загрузки в регистр DD2 семиэлементного кода, соответствующего отображаемой цифре. Разряд RB2 - выход сигнала 3Ч или срабатывания будильника (в зависимости от версии программы), который можно подключить непосредственно к пьезоизлучателю (ЗП-1, ЗП-3 и им подобные), к входу усилителя 3Ч или к исполнительному устройству, например, реле, которое в момент срабатывания будильника будет включать радиоприемник, телевизор или другой прибор.
Светодиоды HL1 и HL2 индицируют состояние соответственно сигнала "Каждый час" и будильников: HL1 светится, если сигнал "Каждый час" включен, a HL2 - если включен хотя бы один из будильников или если включены оба.
В устройстве применен специализированный часовой светодиодный индикатор фирмы Kingbright, содержащий четыре семиэлементных разряда с общим анодом и две точки индикации секунд между средними разрядами. Поскольку выводы элементов a-g являются общими для всех разрядов, управление индикатором возможно только в динамическом режиме. Для данной конструкции индикатор подошел как нельзя лучше: число линий ввода/вывода общего назначения у МК P1C16F84 не позволяет реализовать статическую индикацию, а при динамической с другим индикатором пришлось бы объединять выводы одноименных элементов разных разрядов на плате.
Резисторы R3-R10 ограничивают ток через светодиоды индикатора. Сдвиговый регистр DD2 введен для экономии выводов МК - он преобразует последовательный код в параллельный в ходе динамической индикации.
Конденсатор С4 фильтрует пульсации в цепи питания МК. Место для него на плате не предусмотрено, его припаивают непосредственно к выводам розетки МК со стороны печатных проводников.
Управляющая программа для МК написана на стандартном ассемблере MPASM фирмы Microchip и скомпилирована в среде MPLAB той же фирмы. Из 1024 ячеек памяти программ МК использовано около восьмисот, так что ресурсы для усовершенствования имеются.
Сразу после включения питания происходит инициализация управляющей программы: разряды портов настраиваются на ввод и вывод, устанавливается режим работы таймера 0, из энергонезависимой памяти считываются установки будильников и коэффициент коррекции времени.
Основная задача программы - формирование точных временных интервалов длительностью 1с - решается с помощью прерываний от таймера 0. Его предцелитель подключается к кварцевому генератору МК и настраивается на коэффициент деления 16. В регистр таймера 0 при каждой обработке прерывания записывается число от 00h до OFh (это и есть коэффициент коррекции времени, в исходном тексте программы он называется TIME_SET), поэтому таймер переполняется не за 256, а к примеру, за 250 циклов тактовой частоты (при TIME_SET=5).
В таком случае при использовании кварцевого резонатора на частоту 4 МГц прерывания от таймера 0 происходят с частотой 1 000 000 Гц/250/16 = 250 Гц. После инициализации программа переходит в цикл ожидания этих прерываний и подсчитывает их. Когда число прерываний станет равным 250, текущее время увеличивается на секунду.
Прерывания от таймера 0 обеспечивают и динамическую индикацию. Во время их обработки МК устанавливает нулевой уровень на выводах RA0- RA3 и тем самым гасит индикатор. Далее в регистр DD2 через выводы МК RB0 и RB1 загружается семиэлементный код, соответствующий символу, который нужно отобразить. Затем на одном из выводов RAO-RA3 устанавливается высокий логический уровень, благодаря чему зажигается одно из знакомест. Все это происходит 250 раз в секунду, и благодаря инерции зрения пользователь видит включенными сразу все разряды.
Старший бит загружаемого в регистр DD2 кода служит для управления секундными точками индикатора, которые мигают с частотой 1 Гц. Таким образом, с помощью прерываний от таймера 0 решаются сразу две задачи. Кроме того, в подпрограмме обработки прерывания МК проверяет, не является ли выводимая цифра незначащим нулем в левом разряде, и если это так, то вместо семиэлементного кода цифры О МК загружает в регистр двоичное число 11111111 (индикатор с общим анодом, поэтому единица соответствует погашенному сегменту).
Клавиатура опрашивается примерно 10 раз в секунду, но после первого нажатия некоторых кнопок и их комбинаций программа не реагирует на повторные нажатия в течение 1 с (например, если кнопки удерживать). Это нужно для удобства управления часами.
При срабатывании будильника на выводе RB2 на 1 мин появляется прерывистый сигнал 3Ч или, в зависимости от версии программы, - высокий уровень (точнее, импульсы с частотой повторения 1 Гц). Мигают светодиоды HL1 и HL2. По истечении минуты вызывается специальная подпрограмма, которая восстанавливает правильное свечение светодиодов.
Устройством управляют кнопками SB1-SB4, каждая из которых совмещает несколько функций (см. мнемосхему, показанную на рис. 2). Часы работают в трех режимах: основном (индикация текущего времени), с коэффициентом коррекции времени и режиме установки будильников.
В основном режиме индикатор HG1 отображает часы и минуты, при этом секундные точки мигают с частотой 1 Гц. Текущее время устанавливают кнопками SB1 (часы) и SB2 (минуты): каждое их нажатие увеличивает показания на единицу, а если это делается при нажатой SB4, - уменьшает. При достижении нулевых значений разрядов минут переноса в разряд часов не происходит.
Если удерживать кнопку SB4 в течение трех секунд, на индикатор вместо часов и минут выводятся минуты и секунды текущего времени.
Сигнал "Каждый час" включают и выключают кнопкой SB3 при удерживаемой SB4 (светодиод HL1 соответственно загорается или гаснет).
Для перехода в режим установки будильников нажимают на кнопку SB3. На индикаторе появляются показания первого будильника, секундные точки светятся непрерывно. Часы и минуты устанавливают теми же кнопками SB1 и SB2 (в данном случае только увеличение показаний). Нажатие на кнопку SB4 приводит к выключению будильника, и на индикаторе остаются лишь прочерки (светятся элементы G). При последующем включении будильника этой же кнопкой на индикаторе появляются, а в регистры будильника записываются нули (а не предыдущие значения). Если еще раз нажать на кнопку SB3, на индикаторе появятся показания второго будильника, однако секундные точки погаснут. Оба будильника настраиваются одинаково.
Третье нажатие на кнопку SB3 переводит часы в режим работы с коэффициентом коррекции времени: на индикатор выводятся символы "ЕЕ X", где ЕЕ означает EEPROM, а X - текущее значение коэффициента в шестнадцатиричном виде; секундные точки продолжают мигать. Кнопкой SB1 можно увеличивать, а кнопкой SB2 - уменьшать значение коэффициента в интервале от Oh до Fh. Установленное число будет записываться в таймер 0 в подпрограмме обработки прерывания по его переполнению.
При четвертом нажатии на кнопку SB3 установки будильников и значение коэффициента записываются в EEPROM: первый будильник - по адресам 02h-05h (соответственно минуты, десятки минут, часы и десятки часов), второй - по адресам 06h-09h (в том же порядке), коэффициент - по адресу 01 h.
Устройство монтируют на печатной плате, изготовленной по чертежу, показанному на рис. 3 (штриховыми линиями изображены проволочные перемычки, соединяющие печатные проводники на противоположной стороне платы).
Без каких-либо изменений в схеме и программе МК можно применить PIC16C84 - однократно программируемый аналог PIC16F84. Указанный на схеме индикатор заменим любым другим четырехразрядным с общим анодом (желательно, чтобы выводы одноименных элементов разрядов были соединены внутри индикатора). Допустимо использование четырех одноразрядных индикаторов, в этом случае в качестве секундных точек можно применить два отдельных светодиода, подключенных катодами к правому (по схеме) выводу резистора R10 (если необходимо - через ключ на транзисторе). Резисторы, конденсаторы, светодиоды, кнопки - любые малогабаритные.
Для часов разработаны три версии управляющей программы. Версия 1.10 - основная (ее НЕХ-файл приведен в таблице). При срабатывании будильников на выводе RB2 появляется сигнал (меандр) частотой 1 Гц. Его можно использовать для управления различными исполнительными механизмами и генераторами сигналов 3Ч: от простейших на двух-трех логических элементах до сложных систем цифрового синтеза звука [1, 2]. Динамическая индикация в этой версии работает постоянно.
(нажмите для увеличения)
В версии 1.11 индикация тоже работает непрерывно, но при срабатывании будильников и в момент генерации сигнала "Каждый час" на выводе RB2 появляются пачки импульсов с частотой повторения 1 Гц (частота колебаний, заполняющих пачки, соответствует частоте прерываний от таймера 0 - 250 Гц). Этот сигнал можно подать непосредственно на излучатель или на вход усилителя 3Ч.
Версия 1.20 отличается от 1.11 только тем, что по умолчанию динамическая индикация в ней выключена (при этом все прочие функции часов работают в обычном режиме). Она начинает работать, если нажать на кнопку SB4, и автоматически выключается через 10 с. При нажатии кнопок и срабатывании будильника отсчет этого интервала начинается заново. Если будильник сработал при выключенной индикации, она не включается: нужно дважды нажать кнопку SB4, чтобы выключить будильник и включить индикацию. Эту программу целесообразно использовать, если для питания часов используется батарея, составленная из гальванических элементов или аккумуляторов: выключение индикации экономит энергию батареи.
При программировании МК в слове конфигурации указывают тип генератора - XT, Power-up таймер - включен, сторожевой таймер и защита кода - выключены. Кроме того, в ячейку 01 h энергонезависимой памяти данных нужно занести число от Oh до Fh (коэффициент коррекции времени), а по адресам 02h-09h - установки будильников.
Если программная настройка точности хода часов окажется грубой (что вполне вероятно), следует установить изображенный на схеме штриховыми линиями подстроечный конденсатор C3 (на печатной плате место для него предусмотрено).
НЕХ-файлы программы версий 1.11 и 1.20, а также исходные тексты всех версий
Литература
Автор: А.Вакуленко, г.Тюмень