Elektronika Kompaktowy zegar z wyświetlaczem LCD

[Mily2001]

Założeniem projektu było zbudowanie w krótkim czasie biurkowego zegara. Na początku rozważałem zbudowanie prostego zegara na wyświetlaczach siedmiosegmentowych, jednak po przeanalizowaniu potrzebnych funkcjonalności stanęło na cyfrowym wyświetlaczu LCD. Taki wyświetlacz, dzięki bardzo małemu poborowi prądu, umożliwił sensowne zasilanie bateriami. Był to mój pierwszy projekt zasilany w ten sposób, gdzie czas pracy miał być w założeniu liczony przynajmniej w miesiącach. 

Wyświetlacz który użyłem w projekcie to DE 120-RS-20/7,5/V, który charakteryzuje się pełnymi 4 cyframi o wysokości 18mm i, co ważne, nie jest multipleksowany, dzięki czemu nieco łatwiej było napisać program który nim sterował. Jeśli chodzi o mikrokontroler, to wybrałem Atmegę 4809, ponieważ był to jedyny mikrokontroler z nowej rodziny AVR, dostępny w wersji przewlekanej, posiadający odpowiednią liczbę i/o. W kwestii zasilania stanęło na dwóch bateriach AA, zastosowanie AAA nie miałoby większego wpływu na rozmiar całości, z kolei zastosowanie baterii typu CR2032 znacząco by zmniejszyło czas pracy.

Całość została zlutowana na płytce uniwersalnej, połączenia zostały zaprojektowane w eagle. Było kilka iteracji projektu, tak aby zminimalizować liczbę zworek i maksymalnie uprościć połączenia. Atmega została umieszczona pod ekranem, natomiast z drugiej strony został przykręcony zasobnik na baterie. Do ustawiania czasu służą dwa przyciski - jeden ustawia godziny, drugi minuty. Wydaje mi się to najprostszą możliwą metodą ustawiania czasu (poza opcją automatyczną :)). Piny w mikroprocesorze wykorzystane są wszystkie, przy czym nie wszystkie segmenty wyświetlacza są podłączone - ucierpiały kropki i jeden segment z pierwszej cyfry, który w przypadku wyświetlania tylko i wyłącznie czasu jest niepotrzebny, przy założeniu że godziny poranne wyświetlamy bez zera, czyli np 8:36 a nie 08:36. 

Jedną z ciekawszych części projektu była realizacja możliwie energooszczędnego oprogramowania. Wyświetlacze, takie jak ten zastosowany w projekcie, wymagają odświeżania z częstotliwością 30Hz - 100Hz (rekomendowane jest 32Hz). Jest kilka możliwości energooszczędnej realizacji tego zadania, ja ostatecznie zdecydowałem się na napędzanie Atmegi wewnętrznym oscylatorem z dzielnikiem 10, co dawało ok 2MHz i całkowite usypianie procesora na czas bezczynności (power down). Odmierzanie czasu, a jednocześnie wybudzaniem procesora z trybu power-down realizowane było natomiast z użyciem kwarcu zegarkowego i okresowego przerwania z modułu RTC, wywoływanego co 512 cykli kwarcu (co daje 64Hz). Zasada działania całości jest raczej prosta - co 1/64s wywoływane było przerwanie, program doliczał sobie kwant czasu, obsługiwał wyświetlacz (albo odwracał wszystkie piny, albo "renderował" nowy czas) i szedł dalej spać. W celu dodatkowej optymalizacji, wszystkie możliwe godziny zostały stablicowane przy pomocy małego skryptu w Typescripcie. Dzięki temu wyświetlenie nowej godziny było bardzo szybkie - wystarczyło odczytać 5 kolejnych wartości z tablicy (po jednej na każdy port uC) i wpisać je na odpowiednie porty (po uprzednim przepisaniu wartości z pinów które nie były podłączone do wyświetlacza). Takie podejście zapewniło mi pobór prądu, który był ciężki do zmierzenia moim tanim miernikiem, wynosił średnio ok 5-6uA, co przy idealnych warunkach daje jakieś 50 lat pracy na baterii (nie uwzględniając samorozładowania). Wiadomo, taka wartość jest nieosiągalna, ale pozwala przypuszczać, że przynajmniej kilka lat zegar powinien podziałać na jednym komplecie baterii.

Obudowa zegara została wydrukowana na drukarce 3D. Śrubki, które trzymają całość w jednym kawałku, nie są może najładniejsze, ale mogłem wykorzystać tylko to co miałem po ręką 😄. Gwinty zostały przylutowane do płytki uniwersalnej (są to po prostu konektory typu zacisk śrubowy, wykorzystane w trochę innym celu).

W trakcie budowy sporym problemem okazały się zakłócenia powstające na ścieżkach. Było to do przewidzenia, jednak nie spodziewałem się że tak mocno wpłynie na stabilność kwarcu. Ostatecznie musiałem nieco przeprojektować płytkę i pozmieniać część ścieżek, tak aby zmaksymalizować wolną przestrzeń dookoła kwarcu, zmieniłem też nieco wartości kondensatorów przy nim. Myślę że w przypadku wykonania normalnej PCB takie problemy by nie wystąpiły, możliwe by też było otoczenie kwarcu polem masy.

Jeśli chodzi o możliwości rozbudowy, to możliwe by było dodanie wyświetlania temperatury, ponieważ Atmega4809 ma wbudowany termometr. Z kolei przejście na SMD i zmiana zasilania np na baterie CR2032 pozwoliłaby na zauważalne zmniejszenie grubości zegara.

[Treker (Damian Szymański)]

@Mily2001 po pierwszym zdjęciu bałem się, że efekt finalny będzie... a tu miłe zaskoczenie - faktycznie bardzo kompaktowy i estetyczny zegar. Dobra robota, dzięki za opis 🙂 Projekt został właśnie zatwierdzony, więc jest już widoczny publicznie.

[KHX]

Ooo, projekt super i dzięki za inspiracje, zrobię jakiś zegarek, który będzie mógł być wygaszany i miał dane z API. 

Niby prosty gadżet, a cieszy, moim zdaniem usuwanie zer przed liczba bardzo fajne, bo po prostu fajniej wygląda :D.