Часы на светодиодах своими руками. Самодельные наручные часы. Самодельный корпус для LED часов

20 августа 2015 в 12:34

Самодельные электронные часы, элементная база - часть 1, измерение времени

• DIY или Сделай сам

Наверное, каждый гик, увлекающийся самодельной электроникой, рано или поздно приходит к идее сделать свои, уникальные, часы. Идея вполне неплоха, разберемся как и на чем их лучше сделать. В качестве отправной точки будем считать, что человек умеет программировать микроконтроллеры, понимает как переслать 2 байта по i2c или serial-порту, и может спаять вместе несколько проводов. В принципе, этого достаточно.

Понятно, что ключевая функция часов - измерение времени (кто бы подумал, да?). И делать это желательно максимально точно, здесь есть несколько вариантов и подводных камней.

Итак, какие доступные в «железе» способы измерения времени мы можем использовать?

Встроенный RC-генератор процессора

Самая простая идея, которая может придти в голову - это просто настроить программный таймер, и им отсчитывать секунды. Так вот, эта идея никуда не годится. Часы-то работать конечно будут, только вот точность встроенного генератора никак не регламентируется, и может «плавать» в пределах 10% от номинала. Вряд ли кому-то нужны часы, уходящие в месяц на 15 минут.

Модуль реального времени DS1307

Более правильный вариант, он же использующийся в большинстве «народных» изделий - это часы реального времени. Микросхема обменивается с микроконтроллером по I2C, требует минимума обвязки (кварц и пара резисторов). Цена вопроса около 100р за микросхему, или около 1$ на ебее за готовую плату с микросхемой, модулем памяти и разъемом для батарейки.

Схема из даташита:

Что не менее важно, микросхема выпускается в DIP-корпусе, значит припаять ее может любой начинающий радиолюбитель. Встроенная батарейка обеспечивает работу часов, даже если питание было отключено.

Казалось бы, все хорошо, если бы не одна проблема - невысокая точность. Примерная точность часовых кварцев - 20-30ppm. Обозначение ppm - parts per million, показывает число миллионных долей. Казалось бы, 20миллионных - это супер, однако для частоты в 32768Гц получается 20*32768/1000000 = ±0,65536Гц, т.е. уже полгерца. Путем несложных подсчетов видно, что генератор с такой разницей за сутки «натикает» лишних (или недостающих) 56тыс тактов, что соответствует 2 секундам в день. Кварцы бывают разные, некоторые пользователи писали и об ошибке в 5 секунд в день. Как-то не очень точно - за месяц такие часы уйдут как минимум, на минуту. Это уже приличная разница, заметная невооруженным глазом (когда любимый сериал бабушки начинается в 11.00, а часы показывают 11.05, разработчику таких часов перед родственниками будет неудобно).

Впрочем, поскольку температура в помещении более-менее стабильна, и частота кварца не будет сильно меняться, можно добавить программную коррекцию. Другой совет, даваемый на форумах, использовать часовой кварц от старых материнских плат, по отзывам, они там довольно точные.

Модуль реального времени DS3231

Мы не первые, кто задался вопросом точности, и компания Dallas пойдя навстречу пожеланиям, выпустила более совершенный модуль - DS3231. Он называется «Extremely Accurate Real Time Clock», имеет встроенный генератор с температурной коррекцией. Точность в 10 раз выше, и составляет 2ppm. Цена вопроса чуть повыше, но корпус микросхемы рассчитан под SMD-монтаж, паять не так удобно, зато можно купить на ебее готовую плату.

(фото с сайта продавца)

Точность в 6 секунд в месяц, это уже неплохой результат. Но мы пойдем дальше - в идеале, часы в 21 веке вообще не нужно подстраивать.

Радиомодуль DCF-77

Метод скорее экзотический, но для полноты картины его нельзя не упомянуть. Немногие знают, но сигналы точного времени передаются по радио еще с 70х годов. Передатчик DCF-77 расположен в Германии недалеко от Франкфурта, и на СДВ-частоте 77.5КГц передаются метки точного времени (да, у них уже 20 лет назад были настенные и настольные часы, которые не надо подстраивать).

Способ хорош тем, что схема имеет малое энергопотребление, так что сейчас производятся даже наручные часы с такой технологией. Готовую плату приема DCF-77 можно купить на ebay, цена вопроса 20$.

Многие часы и метеостанции имеют возможность приема DCF-77, проблема лишь в том, что до России сигнал практически не доходит. Карта покрытия с Википедии:

Как можно видеть, лишь Москва и Питер находятся на границе зоны приема. По отзывам владельцев, лишь иногда сигнал удается принять, что для практического применения конечно, не годится.

GPS-модуль

Если часы будут стоять недалеко от окна, то вполне реальный метод получения точного времени - GPS-модуль. Эти модули можно недорого купить на ebay (цена вопроса 10-15$). Например, Ublox NEO-6M, подключается напрямую к serial-пинам процессора, и выдает строки NMEA на скорости 9600.

Данные приходят примерно в таком формате " $GPRMC,040302.663,A,3939.7,N,10506.6,W,0.27,358.86,200804,*1A", и распарсить их даже для слабой Arduino труда не составляет. Патриоты кстати, могут приобрести более дорогой модуль Ublox NEO-7N, поддерживающий (по отзывам) как GPS так и «Глонасс».

Очевидно, что про разные часовые пояса GPS-модуль ничего не знает, так что их вычисление и смену летнего/зимнего времени, разработчику придется продумать самому. Другой минус использования GPS - относительно высокое энергопотребление (впрочем, некоторые модули можно отдельными командами переводить в «спящий режим»).

Wi-Fi

И наконец, последний (и самый очевидный на сегодняшний момент), способ получения точного времени - это брать его из Интернета. Здесь есть два подхода. Первый, и наиболее простой - использовать в качестве платы часов что-то типа Raspberry PI с Линуксом, тогда делать ничего не надо, все будет работать «из коробки». Если же хочется «экзотики» - то самым интересным вариантом является модуль esp8266.

Это недорогой (цена вопроса около 200р на ebay) WiFi-модуль может обмениваться с сервером по serial-порту процессора, при желании его можно также перепрошить (сторонних прошивок довольно много), и часть логики (например опрос сервера времени) сделать в самом модуле. Сторонними прошивками поддерживается куча всего, от Lua до C++, так что вариантов «размять мозги» вполне достаточно.

На этом тему измерения времени наверно можно закрыть. В следующей части мы поподробнее рассмотрим процессоры, и способы вывода времени.

С динамической индикацией. По работе часов претензий нет: точный ход, удобные настройки. Но один большой минус - в дневное время плохо видно светодиодные индикаторы. Для решени проблемы перешёл на статическую индикацию и более яркие светодиоды. Как всегда в программном обеспечение огромное спасибо Soir. В общем предлагаю вашему вниманию большие уличные часы со статической индикацией, функции настройки остались как и в прежних часах.

В них два дисплея - основной (снаружи на улице) и вспомогательный на индикаторах - в помещении, на корпусе прибора. Высокая яркость достигается применением ультраярких светодиодов , с рабочим током 50мА, и микросхем-драйверов .

Схема электронных часов для улицы на ярких светодиодах

Для прошивки контроллера с файлами и используйте следующие настроки фузов:

Печатные платы часов, блока управления и внешнего модуля, в формате LAY, .

Особенности данной схемы часов:

- Формат отображения времени 24-х часовый.
- Цифровая коррекция точности хода.
- Встроенный контроль основного источника питания.
- Энергонезависимая память микроконтроллера.
- Имеется термометр, измеряющий температуру в диапазоне -55 - 125 градусов.
- Возможен поочередный вывод информации о времени и температуре на индикатор.

Нажатие на кнопку SET_TIME переводит индикатор по кругу из основного режима часов (отображение текущего времени). Во всех режимах удержанием кнопок PLUS/MINUS производится ускоренная установка. Изменения настроек через 10 секунд от последнего изменения значения запишутся в энергонезависимую память (EEPROM) и будут считаны оттуда при повторном включении питания.

Ещё один большой плюс предложенного варианта - изменилась яркость, теперь в солнечную погоду яркость прекрасная. Уменьшилась количество проводов с 14 до 5. Длина провода до основного (уличного) дисплея - 20 метров. Работой электронных часов доволен, получились полнофункциональные часы - и днем, и ночью. С Уважением, Soir–Александрович.

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.

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.

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

1. Первым делом надо распаять все игольчатые контакты на монтажных и секционных платах;
2. 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;
3. Далее был установлен ШИМ-контроллер TLC5940 рядом с используемыми контактами;
4. После выполняется подключение контроллера TLC5940, согласно схеме подключения;
5. 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;
6. Выполнено подключение модуля RTC, согласно схеме подключения;
7. Собрана схема автоматического контроля яркости (LDR), ознакомиться можно по ссылке
8. Выполнено подключение проводов для вольтметра, путем подключения проводов к выводу 6 и GND.
9. 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.