Главная Микроконтроллеры

Схемы простеньких часов на светодиодах. Девайсы. Часы с большими цифрами. Видеоролик работы часов

Преимущества светодиодов неоспоримы, сегодня они везде, в том числе и часах. Что представляют себя часы на светодиодных матрицах, о плюсах и недостатках разберем в рамках статьи. В конце статьи представлено подробное пошаговое руководство для изготовления устройства своими руками.

Что это такое

Часы на светодиодных матрицах - это электронные часы, в которых для индикации используются матрицы из множества светодиодов. Применение индикаторов другого типа - единственное их отличие.

Матрица - это набор светодиодов, собранных вместе в виде сетки с единым анодом или катодом. Как правило, разрешение таких индикаторов - количество точек по вертикали и горизонтали - 8×8.

Почему же такие часы набирают популярность, преимущества:

Цена. Светодиодные матрицы дешевле семисегментных индикаторов аналогичных размеров.
Яркость. Светодиоды горят ярче, чем семисегментные индикаторы, их лучше видно в местах, освещенных солнечными лучами. Многие производители также предусматривают конструктивную защиту диода от воздействия солнца.
Функциональность. При помощи матрицы из светодиодов можно выводить не только цифры, но также различные буквы, знаки препинания, символы. При помощи набора LED-матриц можно выводить некоторую информацию в виде бегущей строки.

Светодиодные матрицы имеют и недостатки:

Увеличенная сложность управления. Из-за большого количества элементов (в стандартной матрице их 64) управлять матричными индикаторами чем семисегментными. Для этого применяются микроконтроллеры, динамическая индикация и сдвиговые регистры.
Угол обзора. Особенность светодиодов состоит в том, что они фокусируют свет в одном направлении. Это приводит к тому, что изображение на светодиодной матрице видно хорошо только под определенным углом.
Непереносимость высоких температур. Нагревание снижает эффективность светодиодов и уменьшает срок службы.
Перегорание отдельных светодиодов приведет к эффекту «битого пикселя» и ухудшению качества изображения.

Самодельные часы на светодиодных матрицах

Несмотря на большую популярность часов на светодиодных матрицах, в Рунете не так уж и много схем для их самостоятельного изготовления. Рассмотрим самую популярную.

Необходимые навыки для сборки устройства:

изготовление печатных плат;
пайка элементов: схема предполагает SMD-исполнение, это значит, что элементы будут устанавливаться прямо на поверхность платы;
прошивка микроконтроллеров: в схеме используется МК ATMega16A;
программирование МК: это не обязательно, поскольку для данного устройства уже имеется прошивка контроллера. Этот навык пригодится, если вы захотите изменить режим работы часов или расширить их функционал, например, добавив дополнительные элементы такие, как датчики температуры или влажности.

Из инструментов понадобятся:

набор для изготовления плат;
программатор МК;
паяльник.

Рассмотрим подробнее схему устройства. Главным управляющим элементом является МК ATMega16A, он обеспечивает следующие возможности прибора:

Отсчет времени и календарь. Ведется даже при отключении питания.
Будильник. Здесь их 9 штук, можно запрограммировать на работу по дням недели.
Измерение температуры. Конструкция часов позволяет установить два датчика температуры для измерений в комнате и на улице.
Режим бегущей строки. Выдает следующую информацию: день недели, месяц, год, температура.
Коррекция хода часов.

Большая часть функций возложена на микроконтроллер, что позволяет максимально разгрузить схему и использовать минимальное количество элементов.

В устройстве используется лишь две микросхемы: микроконтроллер и сдвиговый регистр TPIC6B595, также можно подключить два датчика температуры DS18B20 - один уличный, и второй комнатный.

Для индикации используются три светодиодные матрицы 8×8. В качестве диода D1 лучше использовать диод Шоттки. Диод в схеме обеспечивает переход на аварийное питание, а диод Шоттки обладает наименьшим падением напряжения и высокой скоростью переключения.

Процесс изготовления:

О некоторых особенностях при сборке часов на светодиодной матрице с ATMega 16A доступно рассказывается в следующем видео.

Часы на светодиодных матрицах имеют много преимуществ перед приборами с другим типом индикации: дешевле, не засвечиваются солнцем, с их помощью можно вывести большее количество информации. Существует большое количество моделей часов на led матрицах, и каждый найдет для себя девайс с требуемым функционалом. Также такие часы несложно изготовить самому, как вы увидели из пошагового руководства выше, это не требует особенных инструментов или специальных навыков.

На фото прототип, собранный мной для отладки программы, которая будет управлять всем этим хозяйством. Вторая arduino nano в верхнем правом углу макетки не относится к проекту и торчит там просто так, внимание на нее можно не обращать.

Немного о принципе работы: ардуино берет данные у таймера DS323, перерабатывает их, определяет уровень освещенности с помощью фоторезистора, затем все посылает на MAX7219, а она в свою очередь зажигает нужные сегменты с нужной яркостью. Так же с помощью трех кнопок можно выставить год, месяц, день, и время по желанию. На фото индикаторы отображают время и температуру, которая взята с цифрового термодатчика

Основная сложность в моем случае - это то, что 2.7 дюймовые индикаторы с общим анодом, и их надо было во первых как то подружить с max7219, которая заточена под индикаторы с общим катодом, а во вторых решить проблему с их питанием, так как им нужно 7,2 вольта для свечения, чего одна max7219 обеспечить не может. Попросив помощи на одном форуме я получил таки ответ.

Решение на скриншоте:

К выходам сегментов из max7219 цепляется микросхемка , которая инвертирует сигнал, а к каждому выводу, который должен подключаться к общему катоду дисплея цепляется схемка из трех транзисторов, которые так же инвертируют его сигнал и повышают напряжение. Таким образом мы получаем возможность подключить к max7219 дисплеи с общим анодом и напряжением питания более 5 вольт

Для теста подключил один индикатор, все работает, ничего не дымит

Начинаем собирать.

Схему решил разделить на 2 части из-за огромного количества перемычек в разведенном моими кривыми лапками варианте, где все было на одной плате. Часы будут состоять из блока дисплея и блока питания и управления. Последний было решено собрать первым. Эстетов и бывалых радиолюбителей прошу не падать в обморок из-за жестокого обращения с деталями. Покупать принтер ради ЛУТа нет никакого желания, поэтому делаю по старинке - тренируюсь на бумажке, сверлю отверстия по шаблону, рисую маркером дорожки, затем травлю.

Принцип крепления индикаторов оставил тот же, как и на .

Размечаем положение индикаторов и компонентов, с помощью шаблона из оргстекла, сделанного для удобства.

Процесс разметки

Затем с помощью шаблона сверлим отверстия в нужных местах и примеряем все компоненты. Все встало безупречно.

Рисуем дорожки и травим.

купание в хлорном железе

Готово!
плата управления:

плата индикации:

Плата управления получилась отлично, на плате индикации не критично сожрало дорожку, это поправимо, настало время паять. В этот раз я лишился SMD-девственности, и включил 0805 компоненты в схему. Худо-бедно первые резисторы и конденсаторы были припаяны на места. Думаю дальше набью руку, будет легче.
Для пайки использовал флюс, который купил . Паять с ним одно удовольствие, спиртоканифоль использую теперь только для лужения.

Вот готовые платы. На плате управления имеется посадочное место для ардуино нано, часов, а так же выходы для подключения к плате дисплея и датчики (фоторезистор для автояркости и цифровой термометр ds18s20) и блок питания на с регулировкой выходного напряжения (для больших семисегментников) и для питания часов и ардуино, на плате индикации находятся посадочные гнезда для дисплеев, панельки для max2719 и uln2003a, решение для питания четырех больших семисегментников и куча перемычек.

плата управления сзади

Плата индикации сзади:

Ужасный монтаж смд:

Запуск

После припаивания всех шлейфов, кнопок и датчиков пришло время все это включить. Первый запуск выявил несколько проблем. Не светился последний большой индикатор, а остальные светились тускло. С первой проблемой расправился пропаиванием ножки смд-транзистора, со второй - регулировкой напряжения, выдаваемого lm317.
ОНО ЖИВОЕ!

Часы со светодиодной подсветкой и пульсирующей минутной стрелкой на микроконтроллере Arduino
Эти уникальные часы со светодиодной подсветкой и пульсирующей минутной стрелкой удалось изготовить благодаря использованию микросхемы ШИМ-контроллера TLC5940. Его главной задачей является расширить количество контактов с ШИМ-модуляцией. Еще одной особенностью данных часов является переделанный аналоговый вольтметр в прибор измеряющий минуты. Для этого на стандартном принтере была распечатана новая шкала и наклеена поверх старой. Как таковая, 5-я минута не отсчитывается, просто в течение пятой минуты счетчик времени показывает стрелку, упершуюся в конец шкалы (зашкаливает). Основное управление реализовано на микроконтроллере Arduino Uno.

Для того чтобы подсветка часов не светилась слишком ярко в темной комнате, была реализована схема автоматической подстройки яркости в зависимости от освещенности (использовался фоторезистор).

Шаг 1: Необходимые компоненты

Вот что потребуется:

Модуль аналогового вольтметра на 5V DC;
Микроконтроллер Arduino UNO или другой подходящий Arduino;
Монтажная плата Arduino (прото плата);
Модуль часов реального времени DS1307 (RTC);
Модуль с ШИМ-контроллером TLC5940;
Лепестковые светодиоды подсветки – 12 шт.;
Компоненты для сборки схемы автоматического регулирования яркости (LDR).

Также, для изготовления некоторых других компонентов проекта желательно иметь доступ к 3D-принтеру и станку лазерной резки. Предполагается, что этот доступ у вас есть, поэтому в инструкции на соответствующих этапах будут прилагаться чертежи для изготовления.

Шаг 2: Циферблат

Циферблат состоит из трех деталей (слоев) вырезанных на станке лазерной резки из 3 мм листа МДФ, которые скрепляются между собой с помощью болтов. Пластина без прорезей (внизу справа на картинке) помещается под другой пластиной для позиционирования светодиодов (внизу слева). Затем, отдельные светодиоды помещаются в соответствующие пазы, и сверху одевается лицевая панель (сверху на рисунке). По краю циферблата просверлены четыре отверстия, через которые все три детали скрепляются вместе с помощью болтов.

Для проверки работоспособности светодиодов на этом этапе, использовалась плоская батарейка CR2032;
Для фиксации светодиодов использовались небольшие полоски липкой ленты, которые приклеивались с задней стороны светодиодов;
Все ножки светодиодов были предварительно согнуты соответствующим образом;
Отверстия по краям были просверлены заново, через которые и выполнялось скрепление болтами. Оказалось, что это намного удобнее.

Технический чертеж деталей для циферблата доступен по :

Шаг 3: Разработка схемы

На этом этапе была разработана электрическая схема. Для этого использовались различные учебники и руководства. Не будем сильно углубляться в этот процесс, в двух файлах ниже представлена готовая электрическая схема, которая была использована в этом проекте.

Шаг 4: Подключение монтажной платы Arduino

Первым делом надо распаять все игольчатые контакты на монтажных и секционных платах;
Далее, ввиду того, что питание 5V и GND используют очень много плат и периферийных устройств, для надежности, было припаяно по два провода на 5V и GND на монтажной плате;
Далее был установлен ШИМ-контроллер TLC5940 рядом с используемыми контактами;
После выполняется подключение контроллера TLC5940, согласно схеме подключения;
Для того чтобы была возможность использовать батарею, был установлен модуль RTC на краю монтажной платы. Если припаять его посередине платы, то не будет видно обозначение контактов;
Выполнено подключение модуля RTC, согласно схеме подключения;
Собрана схема автоматического контроля яркости (LDR), ознакомиться можно по ссылке
Выполнено подключение проводов для вольтметра, путем подключения проводов к выводу 6 и GND.
В конце были припаяны 13 проводов для светодиодов (На практике оказалось, что это было лучше сделать до того, как приступать к шагу 3).

Шаг 5: Программный код

Программный код, приложенный ниже, был собран из различных кусков для компонентов часов, найденных в интернете. Он был полностью отлажен и в настоящее время полностью работоспособен, к тому же были добавлены довольно подробные комментарии. Но перед загрузкой в микроконтроллер учтите следующие пункты:

Перед прошивкой Arduino, нужно раскомментировать строку, которая устанавливает время:
rtc.adjust(DateTime(__DATE__, __TIME__))
После прошивки контроллера с этой строкой (время задано), нужно опять ее закомментировать и прошить контроллер заново. Это позволяет модулю RTC использовать батарею, для запоминания времени, если пропадет основное питание.
Каждый раз, когда вы используете "Tlc.set ()", вам нужно использовать "Tlc.update"

Шаг 6: Внешнее кольцо

Внешнее кольцо для часов было напечатано на 3D-принтере Replicator Z18. Оно прикрепляется к часам с помощью винтов на лицевой стороне часов. Ниже прилагается файл с 3D-моделью кольца для печати на 3D-принтере.

Шаг 7: Сборка часов

Микроконтроллер Arduino со всей остальной электроникой был закреплен на задней стороне часов с помощью саморезов и гаек в качестве распорок. Затем подключены все светодиоды, аналоговый вольтметр и LDR к проводам, которые ранее были подпаяны к монтажной плате. Все светодиоды соединены между собой одной ножкой и подключены к контакту VCC на контроллере TLC5940 (по кругу просто припаян кусок проволоки).

Пока все это не очень хорошо изолировано от коротких замыканий, но работа над этим будет продолжена в следующих версиях.

Наручные самодельные часы на вакуумном индикаторе, сделанные в стиле стимпанк. Материал взят с сайта www.johngineer.com. Эти наручные часы собраны на основе ИВЛ-2 дисплея. Изначально купил несколько таких индикаторов, чтобы создать стандартные настольные часы, но после размышлений понял, что можно построить стильные наручные часы тоже. Индикатор имеет ряд особенностей, которые делают его более подходящим для этой цели, чем большинство других советских дисплеев. Вот параметры:

Номинальный ток накала 60mA 2.4V, но работает и с 35mA 1.2V.
Небольшой размер - всего 1.25 x 2.25"
Может работать с относительно низким напряжением сетки 12V (до 24)
Потребляет только 2,5 мА/сегмент при 12.5V

Все фотки можно сделать по-больше кликнув на них. Самым крупным препятствием на пути к успешному завершению проекта было питание. Поскольку эти часы задумывались как часть костюма, не беда что аккумулятор работает всего 10 часов. Остановился на AA и AAA.

Схема довольно проста. Микроконтроллер Atmel AVR ATMega88, и часы реального времени - DS3231. Но есть и другие микросхемы, намного дешевле, которые будут работать так же хорошо в генераторе.

VFD-дисплей управляется MAX6920 - 12-разрядный регистр сдвига с высоким напряжением (до 70V) выходов. Он прост в использовании, очень надежный и компактный. Также возможно для драйвера дисплея спаять кучу дискретных компонентов, но это было непрактично из-за нехватки места.

Напряжение аккумулятора питает также повышающий преобразователь на 5 В (MCP1640 SOT23-6), который нужен для нормальной работы AVR, DS3231, и MAX6920, а также выступает в качестве входного напряжения для второго повышающего преобразователя (NCP1403 SOT23-5), который производит 13V для напряжения сетки вакуумного индикатора.

В часах есть три датчика: один аналоговый и два цифровых. Аналоговый датчик - это фототранзистор, он используется для выявления уровня освещения (Q2). Цифровые датчики: BMP180 - давления и температуры, и MMA8653 - акселерометр для обнаружения движения. Оба цифровых датчика связаны по шине I2C с DS3231.

Латунные трубочки припаяны для красоты и защиты стеклянного дисплея наручных часов, а медные толстые проволоки 2 мм - для крепления кожаного ремешка. Полная принципиальная схема в оригинальной статье не приводится - смотрите подключение по даташитам к указанным микросхемам.

Данные часы собранны на хорошо известном комплекте микросхем - К176ИЕ18 (двоичный счетчик для часов с генератором сигнала звонка),

К176ИЕ13 (счетчик для часов с будильником) и К176ИД2 (преобразователь двоичного кода в семисегментный)

При включении питания в счетчик часов, минут и в регистр памяти будильника микросхемы U2 автоматически записываются нули. Для установки

времени следует нажать кнопку S4 (Time Set) и придерживая ее нажать кнопку S3 (Hour) - для установки часов или S2 (Min) - для установки

минут. При этом показания соответствующих индикаторов начнут изменяться с частотой 2 Гц от 00 до 59 и далее снова 00. В момент перехода

от 59 к 00 показания счетчика часов увеличатся на единицу. Установка времени будильника происходит так же, только придерживать нужно

кнопку S5 (Alarm Set). После установки времени срабатывания будильника нужно нажать кнопку S1 для включения будильника (контакты

замкнуты). Кнопка S6 (Reset) служит для принудительного сброса индикаторов минут в 00 при настройке. Светодиоды D3 и D4 играют роль

разделительных точек, мигающих с частотой 1 Hz. Цифровые индикаторы на схеме расположены в правильном порядке, т.е. сначала идут

индикаторы часов, две разделительные точки (светодиоды D3 и D4) и индикаторы минут.

В часах использовались резисторы R6-R12 и R14-R16 ваттностью 0,25W остальные - 0,125W. Кварцевый резонатор XTAL1 на частоту 32 768Hz -

обычный часовой, Транзисторы КТ315А можно заменить на любые маломощные кремниевые соответствующей структуры, КТ815А - на транзисторы

средней мощности со статическим коэффициентом передачи тока базы не менее 40, диоды - любые кремниевые маломощные. Пищалка BZ1

динамическая, без встроенного генератора, сопротивление обмотки 45 Om. Кнопка S1 естественно с фиксацией.

Индикаторы использованы TOS-5163AG зеленого свечения, можно применить любые другие индикаторы с общим катодом, не уменьшая при этом

сопротивление резисторов R6-R12. На рисунке Вы можете наблюдать распиновку данного индикатора, выводы показаны условно, т.к. представлен

вид сверху.

После сборки часов, возможно, нужно будет подстроить частоту кварцевого генератора. Точнее всего это можно сделать, контролируя цифровым

частотомером период колебаний 1 с на выводе 4 микросхемы U1. Настройка генератора по ходу часов потребует значительно большей затраты

времени. Возможно, придется также подстроить яркость свечения светодиодов D3 и D4 подбором сопротивления резистора R5, чтобы все

светилось равномерно ярко. Потребляемый часами ток не превышает 180 мА.

Часы питаются от обычного блока питания, собранного на плюсовом микросхемном стабилизаторе 7809 с выходным напряжением +9V и током 1,5A.