Часы – это важный атрибут в жизни человечества. Так как они ещё с древности использовались, как прибор для измерения времени. Согласитесь ведь именно часы, позволяют узнать период времени суток более точно, распланировать свое время или просто измерить какой либо его интервал, не ориентируясь на положение солнца на небосводе. Это подтолкнуло человечество к изобретению устройства для измерения времени. Ведь представить наш мир без часов просто невозможно. Кроме того — часы стали необходимым дополнением позволяющим, программировать включение и выключение в определённое время бытовых приборов, сигнализировать о каких либо событиях. В наши дни они являются обязательным элементом: радио, телевизоров, компьютеров, сотовых и радиотелефонов, печей СВЧ, стиральных машин и так далее. И это ещё не весь список их применения.
В мире существует большая разновидность часов. Они делятся на такие виды: механические, электронные, кварцевые, наручные, карманные, песочные и так далее. Но сейчас не об этом. Я предлагаю остановить ваш взор на электронных часах. Это часы, для отсчёта времени в которых используются колебания кварцевого резонатора, программно преобразованные в определенные интервалы времени, повторяющиеся через 1с, 1мин, 1ч и так далее. В электронных часах эти сигналы выводятся на экран, показывающий время, а в некоторых моделях ещё и число, месяц, день недели. Ну а теперь по порядку рассмотрим все элементы конструкции электронных часов «СОВА».
Корпус электронных часов
При разработке какого-либо устройства проектировщик создает не лишь его электронную начинку, но и его внешнюю оболочку. Потому перед проектировщиком встают следующие вопросы:
1) Какой формы и размеров должен быть корпус прибора?;
2) Из какого материала его лучше изготовить?;
3) Каким цветом или композицией цветов должен быть окрашен корпус?
Корпус электронных часов «СОВА» имеет прямоугольную форму с фасками по углам, размером в лист бумаги формата А4. Такая форма более приемлема для электронных часов потому, что символы индикатора выводятся в строку. Данный размер позволяет изготовить индикатор часов большого размера, что в свою очередь улучшает его читабельность. Материалом для изготовления корпуса часов было выбрано оргстекло из-за своей прозрачности. Элементы корпуса за исключением задней крышки были склеены дихлорэтаном.
Что бы придать часам эстетический вид, корпус был окрашен в серый цвет. При этом передняя панель, где вынесены элементы управления в виде 3-х кнопок и отверстия для микрофона обклеена машинной тонировкой для лучшего восприятия индикатора. На задней крышки расположились такие элементы как динамик, разъемы, аккумулятор с контроллером зарядки. Смотри рисунки ниже.
Экран часов
Экран в часах служит для отображения информации о текущем значении времени, даты и прочих поддерживаемых часами функций. Каких именно? Об этом я расскажу дальше, а сейчас остановимся на экране часов. При проектировании экрана необходимо уделить особое внимание его форме, размеру выводимых символов и яркости их свечения. Потому, что от этого напрямую будет зависеть качество отображаемой информации.
Экран электронных часов «СОВА» изготовлен из оргстекла с нанесенными на него, трафаретным способом, элементами индикатора смотри рисунок ниже.
После высыхания краски на экране, отчистим элементы индикатора (сегменты) и придадим им цвет. Для этого с тыльной стороны экрана на местах, где расположены сегменты, удалим приклеенный до покраски малярный скотч и наклеим цветную изоленту, смотри рисунок ниже.
Чтобы рассевать свет от светоизлучающих элементов (светодиодов) между ними и поверхностью экрана приклеим небольшую прослойку, смотри рисунок ниже.
Для того чтобы свет от одного сегмента не проникал к другому, между ними установим перегородки из не прозрачного материала смотри рисунок ниже.
И на последок. К прослойке на 2-хсторонний скотч приклеим светоизлучающие элементы, которые представляют из себя платы с припаянными на них smd светодиодами, смотри рисунок ниже.
На этом этап изготовления индикатора закончен. И мы можем пронаблюдать его работу, смотри рисунок ниже.
Электрическая схема электронных часов «СОВА»
Пришел момент рассказать о схеме часов. И начну пожалуй с общего, то есть с разработки схемы электрической принципиальной, выбора и обоснования каскадов входящих в ее состав. При разработке электрической схемы вначале необходимо произвести анализ известных схемных решений. Затем на основании произведенного анализа выбирается наиболее подходящая схема. При этом основными критериями является: простота, надежность, дешевизна исполнения. Рассмотрим основные узлы электрической принципиальной схемы приведенной на рисунке ниже.
Усилитель микрофона и реле нагрузки
Приведенный ниже участок схемы можно разделить на такие блоки.
Усилитель микрофона, который предназначенный для усиления слабого сигнала до величины необходимого уровня (порядка 1-2,5 вольт), то есть до величины, при которой АЦП микроконтроллера будет уверенно воспринимать даже не громкие звуковые сигналы, воспринимаемые микрофоном. Входным источником звукового сигнала, как вы уже могли догадаться, будет выступать электретный микрофон.
Блок питания схемы усилителя микрофона, обеспечивает напряжение 3,3В и выполнен по схеме параметрического стабилизатора. Его применение и такое напряжение выбрано не с проста. В связи с тем, что при колебаниях напряжение питания от 3,3В до 5В на выходе усилителя, из-за применения электретного микрофона, могут возникнуть импульсы напряжения, которые приведут к ложному срабатыванию некоторого функционала часов.
Электронный ключ. Служит для коммутации нагрузки подключенной к реле.
Блок управления часами
Данный блок применен для управления функциями электронных часов «СОВА» и имеет простую электрическую схему. На нем расположились сетевой фильтр, элементы управления кнопки (режим, выбор, установка), а так же электретный микрофон. На рисунке ниже приведен данный узел.
Усилитель тока светодиодов
Усилитель тока светодиодов предназначен для повышения тока в цепи питания светодиодов, схема представлена на рисунке ниже. Нехватка тока особо ощутима, если питание светодиодов осуществляется от микроконтроллера напрямую без использования усилительного элемента. Это объясняется тем, что выход порта микроконтроллера имеет малую нагрузочную способность порядка 40мА. Потому применение усилителя тока носит актуальный характер при использовании сверх-ярких светодиодов, с током потребления порядка 50-150мА.
Усилитель тока представляет из себя 2-х каскадный транзисторный ключ с общим плюсом. Первый каскад транзисторного ключа включен по схеме с общим минусом. Он выступает в роли согласующего каскада между управляющим сигналом и вторым (выходным) каскадом транзисторного ключа, который осуществляет управление анодами светодиодов в индикаторе.
Электронный блок
Данный блок можно поделить на электронный коммутатор и микропроцессорную часть, смотри рисунок ниже. Этот блок является важным узлом электронных часов «СОВА» и на него возложен весь функционал. Электронный коммутатор представляет из себя набор транзисторных ключей с общем минусом, которые обеспечивают управление катодами индикатора. И отвечают за переключение элементов (символов) на индикаторе.
Сердцем электронных часов «СОВА» является микропроцессорный блок, который выполнен на микроконтроллере atmega8a, смотри рисунок ниже
на который возложены такие функции:
1) Анализ аналоговых сигналов осуществляется благодаря встроенному модулю АЦП в микроконтроллер. И в данном случае на него возложено измерение напряжения питания, а также измерение уровня звукового сигнала от микрофонного усилителя, с последующим преобразованием в код понятный микроконтроллеру.
2) Вывод информации на дисплей осуществляется благодаря динамической посегментной индикации с частотой обновления индикатора 100Гц. Выбор данной частоты полностью убирает эффект его мерцания и обеспечивает достаточную яркость. Для справки, индикация может быть, как статической, так и динамической.
Статическая индикация — ее использование основывается на том, что каждый сегмент индикатора постоянно находится в одном из состояний или включен или выключен. Ее основной минус это высокое потребление тока, что в свою очередь сильно уменьшает заряд батареи и время работы устройства не от сети.
Динамическая индикация — ее использование основывается на том, что сегменты зажигается по очереди. А за счет инерционности зрения кажется, что индикатор светится постоянно. Важная особенность заключается в том, что частота смены сегментов выбирается не ниже 50Гц это как раз и связано инерционностью зрения. Также достоинством данного вида индикации является пониженное потребление электроэнергии.
3) Ввод информации осуществляется благодаря блоку управления. Посредством нажатия кнопок и их комбинаций.
4) Формирование звука осуществляется с помощью встроенного в микроконтроллер блока широтно-импульсной модуляции. При этом закодированные ноты мелодий, в понятном для микроконтроллера коде, обрабатываются подпрограммой и выводятся в регистры управляющие работой ШИМ с последующим преобразованием в уровни напряжения.
5) Счет времени практически во всех цифровых часах осуществляется при помощи часового кварцевого резонатора (32,768кГц), который обеспечивает точный отсчет времени. Для этого таймер микроконтроллера Т1 работает в асинхронном режиме. Таймер Т1 работая в этом режиме может формировать отсчеты времени в 250мс, 500мс, 1с и так далее. В часах «СОВА» таймер Т1 настроен на формирование временных интервалов в 250мс.
Печатная плата электронных часов «СОВА»
Печатная плата представляет из себя токопроводящий рисунок из медной фольги, изображенный на одной из сторон стеклотексталита. Компоненты на печатной плате могут размещаются как на монтажных отверстиях, так и на контактных площадках для планарных компонентов. Соединение компонентов с печатной платой осуществляется по средством пайки. А тепер перейдем к разработке печатной платы электронных часов «СОВА» на основе рассмотренной выше электрической принципиальной схемы. Сразу отмечу, что печатных плат будет несколько, смотрим рисунки ниже. На этих рисунках синими цветом отмечены перемычики в печатных платах.
Рисунок 1 — Плата печатная усилителя микрофона
Рисунок 2 — Плата печатная блока управления
Рисунок 3 — Плата печатная усилителя тока светодиодов
Рисунок 4 — Плата печатная электронного блока
Функции электронных часов «СОВА»
Управление функциями электронных часов «СОВА» происходит с помощью установленных на корпусе кнопок и микрофона.
- Кнопка «Режим» — осуществляет переключение между заложенными в электронные часы «СОВА» функциями, и в свою очередь имеет два режима работы. Короткое нажатие кнопки производит переключение между функциями: часы, секундомер, таймер. Длительное нажатие (более 3сек.) переводит часы в режим настроек времени, будильника, ночного режима.
- Кнопка «Выбор» — осуществляет переключение между элементами индикатора во всех режимах работы электронных часов «СОВА». А так же отвечает за паузу в секундомере.
- Кнопка «Установка» — осуществляет установку значения выбранного элемента индикатора. А так же отвечает за пуск/стоп таймера и секундомера.
- Микрофон — управляет выводом индикатора часов из сна.
Рассмотрим отдельно каждый из режимов работы электронных часов «СОВА». Эти часы обладают такими функциями как:
1) Часы — в этом режиме на индикатор постоянно выводится текущее время, день недели и состояние будильника (включен/выключен). Которые могут сменяться по нажатию кнопок «Выбор» и «Установка». В этом режиме нажатие кнопки «Установка» приводит к отображению на индикаторе электронных часов текущей даты вместо времени. А нажатие кнопки «Выбор» в режиме «Часы» приводит к выводу на индикатор времени установленного будильника. Причем каждое последующее нажатие кнопки приводит к выводу следующего установленного времени будильника. Забегая на перед скажу, что всего можно установит восемь разных будильников.
2) Секундомер — режим работы электронных часов «СОВА», который позволяет измерять интервалы времени с точностью в 250 миллисекунд. Для перевода часов в этот режим необходимо один раз коротко нажать кнопку «Режим». После перехода в режим «Секундомера» управление передается кнопкам «Выбор» и «Установка». Кнопка «Установка» — позволяет запустить/остановить (сбросить) секундомер. Нажатие кнопки «Выбор» — позволяет зафиксировать (остановить) время на индикаторе. Причем каждое последующее нажатие кнопки приведет к фиксации на индикаторе следующего значения времени секундомера. Максимальное время, до которого в этом режиме могут досчитать часы, составляет 40 минут, после чего счет остановится со звуковым сигналом «пик».
3) Таймер — режим работы электронных часов «СОВА», который позволяет через заданный промежуток времени выдать звуковой сигнал. Режим представляет из себя секундомер обратного отсчёта, отмеряющий заданный интервал времени с момента его запуска с точностью в 1 секунду. Для перевода электронных часов из режима «Часы» в режим «Таймер» необходимо два раза кратковременно нажать кнопку «Режим». После перехода в режим «Таймер» управление передается кнопкам «Выбор» и «Установка». Кнопка «Выбор» — позволяет выбрать элемент индикатора (цифру) для редактирования, при этом выбранный элемент индикатора начнет мигать. Для установки необходимого числового значения времени выбранного элемента индикатора необходимо нажимать на кнопку «Установка». Таким образом вводятся секунды, минуты, часы. Максимальное время установки таймера составляет 3 часа. После ввода необходимого времени нажатие кнопки «Выбор» приведет к прекращению мигания элементов индикатора. А последующее нажатии кнопки «Установка» запустит отсчет таймера. Окончание отсчета, таймер оповестит воспроизведением мелодии. Для сброса таймера во время его работы, необходимо нажать кнопку «Установка».
4) Ежечасный сигнал — представляет из себя звуковой сигнал «пик», который если включен воспроизводится каждый час и предназначен для оповещения окружающих о текущем времени. Режим «Ежечасный сигнал» включается/выключается лишь в режиме «Часы» сочетанием кнопок «Выбор» + «Режим» и может работать в нескольких режимах:
- Обычный — в этом режиме ежечасный сигнал воспроизводится каждый час.
- Ночной — в этом режиме ежечасный сигнал воспроизводится каждый час лишь вне времени работы ночного режима.
- Низкое напряжение — в этом режиме ежечасный сигнал воспроизводится каждый час не взирая на работу ночного режима. И блокируется лишь аварийно низким напряжением.
5) Установка времени — режим работы часов, который позволяет устанавливать время, дату, день недели. Для перевода часов в данный режим, необходимо один раз зажать кнопку «Режим» на время более 3сек. После этого часы перейдут в режим «Установка времени» и управление передастся кнопкам «Выбор» и «Установка». Кнопка «Выбор» — позволяет выбрать элемент индикатора для редактирования. При этом выбранный элемент индикатора начнет мигать. Для установки необходимого значения выбранного элемента индикатора необходимо нажимать на кнопку «Установка». Таким образом вводятся: минуты, часы, число, месяц, день недели. Режим «Установка времени» не позволяет устанавливать числовое значение секунд, а лишь позволяет его обнулить нажатием кнопки «Установка», если данный элемент индикатора выбран. Такая установка секунд позволяет легко синхронизировать электронные часы с точным временем. Для выхода из режима «Установка времени» необходимо кратковременно нажать кнопку «Режим».
6) Установка будильника — это режим в котором электронные часы в установленное время подают звуковой сигнал или выполняют ещё какое-то действие. Обычно будильник используется для пробуждения человека или напоминании о чем-то важном. Режим «Будильник» в электронных часах «СОВА», как писалось выше, позволяют установить восемь будильников на разное время и день недели. Они могут устанавливаться как:
- по одному на каждый день недели отдельно,
- несколько будильников на определенный день недели,
- ежедневно.
Для установки будильника в электронных часах «СОВА», необходимо перейти из режима «Часы» в режим «Установка будильника» нажатием кнопки «Режим» два раза на время более 3 сек. После перехода в режим «Установка будильника» управление передается кнопкам «Выбор» и «Установка». Кнопка «Выбор» — позволяет выбрать элемент индикатора для редактирования, при этом выбранный элемент индикатора начнет мигать. Для установки необходимого значения выбранного элемента индикатора необходимо нажимать на кнопку «Установка». Таким образом вводятся ячейка будильника, минуты, часы, день недели.
Установка будильника на каждый день недели отдельно. С помощью кнопок «Выбор» и «Установка» выбираем ячейку будильника, после устанавливаем время и день недели на который заводится будильник. Далее выбираем следующую ячейку будильника и повторяем действия описанные выше.
Установка нескольких будильников на определенный день недели. С помощью кнопок «Выбор» и «Установка» выбираем ячейку будильника, после устанавливаем время и день недели на который заводится будильник. Далее выбираем следующую ячейку будильника устанавливаем новое время, но день недели оставляем прежним.
Установка будильника ежедневно. С помощью кнопок «Выбор» и «Установка» выбираем ячейку будильника, после устанавливаем время на который заводится будильник, а элемент индикатора день недели оставляем пустым. Далее если необходимо завести новый ежедневный будильник, то просто выбираем следующую ячейку будильника и повторяем действия описанные выше.
Для выхода из режима «Установка будильника» необходимо кратковременно нажать кнопку «Режим». Затем чтобы активировать/деактивировать установленные будильники нужно в режиме «Часы» нажать кнопку «Выбор», (чтобы выбрать ячейку) + кнопка «Установка». Сигнал будильника выбирает программа из списка мелодий самопроизвольно. При этом одновременно с срабатыванием будильника взводится реле, которое позволяет подключить к электронным часам какой либо электрический прибор. Нагрузочная способность часов определяется максимальным током, которое может коммутировать реле. Для сброса как звукового сигнала так и реле необходимо нажать на любую кнопку управления на время более 1 сек.
7) Ночной режим — режим в котором дисплей электронных часов выключается/включается в установленное заранее время. Использование такого режима работы индикатора, позволяет в ночное время не тревожить пользователя часов излишним свечением и тем самым не мешать его хорошему сну. Но если в ночное время пользователю часов все же захочется посмотреть время, то ему достаточно всего лишь хлопнуть слегка в ладоши и дисплей часов засветится на 30 сек. и далее погаснет. Для перевода электронных часов из режима «Часы» в «Ночной режим» необходимо три раза нажать кнопку «Режим» на время более 3 сек. После перехода в «Ночной режим» управление передается кнопкам «Выбор» и «Установка». Кнопка «Выбор» — позволяет выбрать элемент индикатора для редактирования, при этом выбранный элемент индикатора начнет мигать. Для установки необходимого числового значения выбранного элемента индикатора необходимо нажимать на кнопку «Установка». Таким образом выбирается ячейка включения/выключения ночного режима и устанавливаются часы работы. После ввода необходимого времени нажатие кнопки «Выбор» приведет к прекращению мигания элементов индикатора. А последующее нажатии кнопки «Установка» активирует/деактивирует ночной режим. Для выхода из режима «Ночной режим» необходимо кратковременно нажать кнопку «Режим».
8) Защита от низкого напряжения — электронные часы «СОВА» имеют два варианта питания от сети 220 В и от аккумулятора. Для питания электронных часов от сети необходимо применение блока питания с напряжением 5 В и током от 500 мА. И в этом случае себя хорошо проявит зарядное устройство от мобильного телефона. Тем более, что в современном мире они очень распространены и наверняка у кагдого дома найдется одна лишняя зарядка от старого телефона. При питании электронных часов от аккумулятора у них появляется преимущество, потому что в этом случае они лишаются привязки к розетке и внезапное отключение электроэнергии не приведет к тому, что время на них собьется. Вот лишь пользователь в этом случае должен постоянно заботиться о периодической зарядке аккумулятора. Питание часов от розетки позволит работать им неограниченно долгое время. Но в этом случае придется подумать о местоположении часов. При питании от аккумулятора электронные часы переходят в режим «Защита от низкого напряжения». В этом режиме потребление электричества уменьшается за счет отключения индикатора. Данный режим имеет два уровня напряжений:
- 1-й уровень — напряжение меньше 4,6В но больше 3,6В. Часы для экономии электроэнергии отключают индикатор, но он может быть включен по звуковому сигналу (хлопок в ладоши) на время 30 сек. Этот уровень позволяет также работать ежечасному сигналу, если он активирован не взирая даже на включенный «Ночной режим». Остальные функции часов при этом остаются заблокированными.
- 2-й уровень — напряжение меньше 3,6В. Часы уходят в глубокий режим энергосбережения. В данном режиме блокируются все функции часов кроме счета времени.
Выходом из режима «Защита от низкого напряжения» является восстановление питания часов от сети 220В (блока питания).
В электронных часах «СОВА» заложен не большой сюрприз для пользователя (пасхалка), который вызывается сочетанием 3-х кнопок. Это режим часов, который позволяет прослушать все заложенные мелодии. В данных электронных часах «СОВА» запрограммированны такие мелодии как:
Резервирование электропитания
Как известно некоторые устройства вообще не допускают или допускают на очень короткий срок прерывание электропитания. Это обусловлено условиями работы, и чтобы устройство работало без перебоев используется резервирование электропитания. Что касаемо часов, так перебой электропитания приведет к тому, что время собъется, а это очень не желательно. По этому в электронных часах «СОВА» применяется резервирование электропитания от аккумулятора. Работает оно по принципу. Как лишь внешнее питание пропадает часы переходят на питание от аккумулятора. На рисунке ниже приведена структурная схема резервирования электропитания. Настройка резервирования электропитания часов осущесвляется при питании от сети, для этого необходимо выставить напряжение около 4В на выводе 2 операционного усилителя (см. схему электрическую принципиальную ниже).
Согласно структурной схеме была разработана схема электрическая принципиальная и печатная плата смотри рисуноки ниже.
Ну на последок фото электронных часов «СОВА».
По ссылке ниже списка радиоэлементов вы можете скачать дополнительную информацию для сбора электронных часов «СОВА»
Список радиоэлементовОбозначение
Тип
Номинал
Количество
ПримечаниеМагазинМой блокнот
ВА1
Динамик0.4Вт 8Ом1
с установленым последовательно резистором 68 ОмC9, C10
Конденсатор27 пФ2
C6, C8
Конденсатор100 нФ2
C1-C4
Электролитический конденсатор1 мкФ4
C8
Электролитический конденсатор47 мкФ1
C5, C7
Электролитический конденсатор220 мкФ2
D1
Стабилитрон1N4728A1
D2
Выпрямительный диод1N40041
IC1
МК AVR 8-битATmega8A1
IC2
Операционный усилительLM3581
K1, K2
РелеHK4100F-DC5V-SHG2
mic
МикрофонЭлектретный1
R24, R47
Резистор1 кОм2
R1-R5, R11-R17, R20, R21, R34, R37-R45
Резистор2 кОм24
R27, R28, R31, R33, R35
Резистор4.7 кОм5
R22, R23
Резистор5.6 кОм2
R6-R10, R18, R19, R32, R36
Резистор10 кОм9
R26, R30
Резистор33 кОм2
R29
Резистор1 мОм1
R25
Резистор1.8 мОм1
R46
Переменный резистор4.7кОм1
S1-S3
КнопкаМикрокнопка без фиксации3
T1-T5, T11, T12
Биполярный транзистор2N39067
T6-T10, T13, T14
Биполярный транзистор2N39047
T15-T18, T29
Биполярный транзисторBC5475
T19-T26
Биполярный транзисторSS80508
Q1
Кварцевый резонатор32.768 кГц1
Контроллер зарядаEM4056A1
Гнездоmicro USB1
Гнездо5 мм1
АккумуляторLi ion 4,3В1
Светодиод563050
индикатор часовДобавить все
Скачать список элементов (PDF)
Прикрепленные файлы:
- Clock.rar (975 Кб)