1999.08_Zegar cyfrowy z budzikiem, część 1.pdf

Projekty AVT

Zegar cyfrowy

z budzikiem

część 1

Przeglądając ofertę kitów

AVT, zauważyłem brak w niej

zwykłego, cyfrowego zegara do

pomiaru czasu. A pamiętam, że

za czasów mojej młodości był to “dyżur−

ny” temat. Kupowaliśmy TTL−ki naszej

rodzimej CEMI i konstruowaliśmy wielce

ciekawe czasomierze. Dlaczego nie po−

wtórzyć tego dzisiaj, zwłaszcza że nie ma

żadnych kłopotów z podzespołami? Za−

projektowałem więc i wykonałem zegar,

który ma następujące możliwości: wy−

świetla godziny i minuty, pracuje w sy−

stemie 24− lub 12−godzinnym – przełącze−

nie jest możliwe w dowolnym momen−

cie, posiada układ budzika, do którego

wyjścia można dołączyć dowolny układ

wykonawczy. Czas wyświetlany jest na

dużych (wysokość cyfry 20 mm), sied−

miosegmentowych wyświetlaczach. Za−

silanie − napięcie niestabilizowane 8V,

możliwość dołączenia baterii podtrzymu−

jącej.

2370

zrozumieć jak to wszystko działa, musi−

my przypomnieć sobie kod dwójkowy

i heksadecymalny. System zapisu zero−je−

dynkowego – dwójkowego jest bardzo

wygodny dla zobrazowania stanów wy−

stępujących na wyjściach układów cyfro−

wych. Jego podstawową wadą jest dłu−

gość słowa – cztery bity to w zapisie na

papierze cztery znaki. Wymyślono więc

zapis heksadecymalny gdzie czterem ko−

lejnym bitom odpowiada jeden znak. Pro−

ponuję przypomnieć sobie to przelicze−

nie, gdyż będzie nam potrzebne.

scalonych. U1 jest dzielnikiem częstotli−

wości z elementami generatora

taktującego. Po uzupełnieniu o kwarc i

parę dodatkowych elementów biernych

uzyskujemy źródło częstotliwości 2Hz.

Układy U2 i U3 to kolejny stopień dziel−

ników. Bramka U3A dołączona jest do

odpowiednich wyjść U2 i przy stanie 78 h

(ostatni raz przeliczam – to 01111000

dwójkowo, czyli 120 dziesiętnie)

powoduje wyzerowanie licznika.

Efektem tego jest jeden impuls co min−

utę na wyjściu A. Właściwym licznikiem

naszego zegara jest U4. Bramka U5A

dekoduje stan B40 h i powoduje wyze−

rowanie U4 po upływie doby. Cała reszta

naszego schematu dotyczy wyświetlania

czasu oraz budzika.

Dochodzimy do najważniejszego ele−

mentu zegara – pamięci EPROM. Tak

naprawdę to spełnia ona następujące

funkcje: dekoduje wszystkie z 1440

możliwych stanów, jest odpowiedzialna

za zaświecenie odpowiednich segmen−

tów wyświetlacza, steruje wyświet−

laniem sekwencyjnym cyfr oraz zapew−

nia możliwość przełączania systemu

12/24h. Żeby zrozumieć zasadę działania

sekwencyjnego wyobraźmy sobie

hipotetyczną pamięć, która ma pojem−

ność ośmiu słów jednobitowych.

Załóżmy, że dołączono do niej, za

pomocą kluczy analogowych, dwie diody

LED (rysunek 2). Świecą one, gdy na

wyjściu danych mamy niski stan logiczny

i wybrany jest odpowiedni klucz – na

bazie tranzystora pojawia się stan niski.

Do adresowania kolejnych komórek

pamięci mamy trzy bity. Niech dwa

młodsze będą adresem, pod którym jest

Dziesiętnie Dwójkowo

Heksadecy−

malnie

0000

0001

0010

0011

Opis układu

Projektując zegar miałem dwie możli−

wości – albo zastosujemy rozwiązanie

tradycyjne tzn. szereg dzielników dzielą−

cych przez 6, 12, 24 i do tego dekodery

BCD na kod wskaźników siedmioseg−

mentowych, albo coś nowatorskiego,

nieszablonowego. Zdecydowałem się na

to drugie rozwiązanie. Najpierw zastano−

wiłem się, co tak naprawdę pokazuje

zwykły zegar. Okazuje się, że jeden

z 1440 stanów. Dlaczego? Sprawa jest

prosta – 24 godziny razy 60 minut daje

właśnie 1440 możliwych odczytów w cią−

gu doby. Trzeba więc skonstruować de−

koder, który te stany będzie rozróżniał i je

co minutę zmieniał. Ja do tego celu wy−

korzystałem zwykłą pamięć EPROM. Pa−

mięć 27C256, bo o takiej będziemy

mówili, posiada piętnaście wejść adreso−

wych i osiem wyjść danych. A teraz mu−

szę zrobić małą dygresję. Żeby dobrze

0100

0101

0110

0111

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

tab.. 1

W dalszej części tekstu wszystkie

wartości heksadecymalne będę zgodnie

z przyjętym zwyczajem oznaczał literką

“h”.

Popatrzmy teraz na schemat zegara −

rysunek 1. Za pomiar czasu, a dokładnie

mówiąc zliczanie 1440 możliwych

stanów, odpowiada tylko pięć układów

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99

Projekty AVT

Rys.. 1 Schemat iideowy częścii głłównejj

zapisane czy dioda ma świecić czy nie.

Najstarszy adres będzie służył do wyboru

diody, która ma świecić. Jeżeli na adres

A 2 podany zostanie stan niski, tranzystor

T1 poda napięcie na anodę diody D1. Jej

zaświecenie będzie teraz zależne tylko od

stanu panującego na wyjściu D.

Podobnie jest, gdy na A 2 podamy stan

wysoki – aktywną będzie wtedy dioda D2

(jedynka logiczna po przejściu przez

inwerter wysteruje tranzystor T2). Czyli

wszystkie adresy o konstrukcji 0A 1 A 0

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99

Projekty AVT

dotyczą pier−

wszej diody, a

adresy 1A 1 A 0 −

drugiej. Jeżeli

teraz pod

adresem 000,

001, 010, 011

umieścimy log−

iczne zero, dioda

D1 będzie palić

się przy każdym

z możliwych

stanów 0A 1 A 0 .

Jeżeli pod adresa−

mi 100, 101 umieścimy logiczną jedynkę,

a pod adresami 110 i 111 logiczne zero,

dioda D2 będzie świecić dla dwóch z

możliwych stanów na wejściach

adresowych. Zmieniając odpowiednio

szybko stan na wejściu A 2 będziemy mieli

wrażenie ciągłego świecenia obu diod

czyli wyświetlanie sekwencyjne zwane

przez niektórych dynamicznym.

Podobną zasadę przyjąłem konstru−

ując nasz zegar. Jedyna różnica to trochę

większa pamięć. Zastosowałem popu−

larną i tanią kostkę 27C256. Za pokazy−

wanie czasu odpowiada U11.

Organizacja pamięci jest następująca –

do wyjść D1−D7 dołączone są segmenty

wyświetlaczy. Wyjście D0 steruje

dodatkowymi diodami LED. Wejścia A 0 −

A 10 odpowiedzialne są za dekodowanie

jednego z 1440 stanów możliwych na

liczniku U4, wejście A 11 to wybór syste−

mu pracy 12/24−godzinny, A 12 służy do

zasygnalizowania włączenia budzika, a

adresy A 13 i A 14 odpowiedzialne są za

wybór cyfry na wyświetlaczu. Pełna

składnia słowa sterującego pokazana jest

poniżej w tabelce. ((tab.. 2))

wyjściu pamięci zastosowałem bufor

separujący ULN2803, który odwraca fazę

sygnału, należy pamiętać, że to jedynka

logiczna na wyjściu pamięci powoduje

zaświecenie segmentu. Opis segmen−

tów znajduje się na rysunku 3 – jest on

zgodny z ogólnie przyjętą zasadą opisu

występującą w katalogach różnych pro−

ducentów. ((tab.. 4))

wpisaniu której dany wyświetlacz nie

świeci.

Przedstawię teraz pod jakie adresy

pamięci wpisano odpowiednie wartości i

czego one dotyczą. Czyli jeszcze jedna

tabelka – ostatnia. ((tab.. 6))

Przykładowo – w obszarze 6000h−

659Fh jest zapisane (system 24 godzinny

bez włączonego budzika) 10x60=600

razy 00 h − wyświetlacz wygaszony,

10x60=600 razy 60 h – świecą się seg−

menty B i C – wyświetlana jest jedynka

oraz 4x60=240 razy DA h − świecą się seg−

menty A, B, D, E, G – wyświetlana jest

dwójka. Wnikliwy Czytelnik łatwo

zauważy, że pewne obszary pamięci są

identyczne niezależnie od tego, w jakim

systemie zegar pracuje oraz czy budzik

jest włączony czy nie.

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

BCE

DLED

tab.. 4

Rys.. 2

Dodatkowe diody LED, których

rozmieszczenie przedstawiono na

rysunku 4 służą do sygnalizacji czasu

przed południem i po południu (diody DA,

DB) w systemie pracy 12−godzinnym oraz

do sygnalizacji włączenia budzika (dioda

DD). Dla diody DC nie znalazłem zas−

tosowania, zdaję się na pomysły moich

Czytelników.

Wiedząc jak segmenty są dołączone

do wyjść pamięci, możemy ustalić co

należy wpisać do pamięci, by wyświet−

lane były konkretne cyfry. Mamy więc

kolejną tabelkę. ((tab.. 5))

Mając gotową pamięć możemy

omówić pozostałe elementy

występujące na schematach. U6 – U10,

U13 to elementy budzika – o nim za

chwilę. U12 to – jak już wcześniej

napisałem − ośmiokrotny bufor separujący.

Sterowany z wyjść pamięci steruje seg−

Wyj.

Pam.

Steruje

Wyświetla cyfrę

wygaszanie

D0 LED 0

D1 D

D2 F

D3 G

D4 E

D5 C

D6 B

D7 A

Bez LED

F6 h 60 h

DA h EA h 6C h AE h BE h E0 h FE h EE h 00 h

Z LED

F7 h 61 h

DB h EB h 6D h AF h BF h E1 h FF h EF h 00 h

tab.. 5

Dioda DB dołączona jest do wyświet−

lacza dziesiątek godzin, DA do wyświet−

mentami wyświetlaczy pobierającymi sto−

sunkowo duży prąd. Układ U15 służy do

sterowania kluczami analogowymi zasi−

lającymi anody wyświetlaczy. Jest to pod−

wójny multiplekser z 1 na 4 linie. Jego

wejścia sterujące A i B dołączone są

A 14 A 13 A 12 A 11 A 10 A 9 A 8 A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 A 0

cyfra

budzik 12/24

dekoder stanów – 1 z 1440

tab.. 2

ADRES ZAWARTOŚĆ

0000 h – 059F h Minuty – system 24h – budzik wyłączony

0800 h – 0D9F h Minuty – system 12h – budzik wyłączony

1000 h – 159F h Minuty – system 24h – budzik załączony

1800 h – 1D9F h Minuty – system 12h – budzik załączony

2000 h – 259F h Godziny – system 24h – budzik wyłączony

2800 h – 2D9F h Godziny – system 12h – budzik wyłączony

3000 h – 359F h Godziny – system 24h – budzik załączony

3800 h – 3D9F h Godziny – system 12h – budzik załączony

4000 h – 459F h Dziesiątki minut – system 24h – budzik wyłączony

4800 h – 4D9F h Dziesiątki minut – system 12h – budzik wyłączony

5000 h – 559F h Dziesiątki minut – system 24h – budzik załączony

5800 h – 5D9F h Dziesiątki minut – system 12h – budzik załączony

6000 h – 659F h Dziesiątki godzin – system 24h – budzik wyłączony

6800 h – 6D9F h Dziesiątki godzin – system 12h – budzik wyłączony

7000 h – 759F h Dziesiątki godzin – system 24h – budzik załączony

7800 h – 7D9F h Dziesiątki godzin – system 12h – budzik załączony

tab.. 6

Opis możliwych stanów na wejściach

A 14 −A 11 podaję poniżej. Stany na wejś−

ciach A 14 A 13 zmieniają się dynamicznie –

dołączone są do wyjść licznika U1. Stany

na wejściach A 12 i A 11 ustawiane są przez

użytkownika. ((tab.. 3))

lacza godzin, DC

do wyświetlacza

dziesiątek minut,

DD do wyświet−

lacza minut.

Wyjaśnienia

wymagają dwa

dolne wiersze. Są

tam wartości, dla

których dioda

dodatkowa

podłączona do

wyświetlacza

świeci lub nie

(przypominam –

decyduje o tym

stan panujący na

D0). Kolumna

“wygaszanie” to

wartość, po

AdresStan log. Efekt

A 11

System 24 – godzinny

A 11

System 12 – godzinny

A 12

Budzik wyłączony

A 12

Budzik włączony

A 14 A 13 00

Wybrany wyświetlacz minut

A 14 A 13 01

Wybrany wyświetlacz godzin

A 14 A 13 10

Wybrany wyświetlacz dziesiątek minut

A 14 A 13 11

Wybrany wyświetlacz dziesiątek godzin

tab.. 3

Kolejna tabelka przedstawia, które z

segmentów wyświetlacza dołączone są

do których wyjść pamięci. Ponieważ na

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99

Projekty AVT

Rys.. 3 Schemat iideowy ukłładów pomocniiczych

wejście 6 U8 zera log−

icznego. Blokuje to szereg

komparatorów.

Układy U14 i U16 zapew−

niają możliwość ustawiania

czasu na zegarze oraz

nastawiania czasu budzenia.

Ustawiamy “to co widzimy”,

tzn. czas w chwili wyświetla−

nia zegara lub alarm w chwili

wyświetlania budzika.

Zapewnia to odpowiednia

kombinacja bramek układu

U16 połączona z

przełącznikiem

BUDZIK/CZAS. Ustawianie

odbywa się tylko poprzez

zwiększanie widocznej na

wyświetlaczu wartości.

Sygnał o odpowiedniej częs−

totliwości poprzez kombi−

nację kluczy układu U14

trafia na wejście B licznika

U4. W trakcie normalnej

pracy na wejście to trafia co

minutę jeden impuls. Czas

możemy ustawiać z dwiema

prędkościami – przy pomocy

S4 z częstotliwością zmian

16Hz (punkt D połączony z B)

lub przy pomocy S5 z częs−

totliwością 1Hz (punkt C

połączony z B). Pierwsza z

częstotliwości występuje na

wyjściu Q10 U1, druga na

wyjściu Q0 U2A. Do wyjścia

1Hz dołączone są, poprzez

tranzystor T1, diody D1

(dwie diody połączone szere−

gowo). Na wyświetlaczu

tworzą one charakterysty−

czny dwukropek oddzielający

godziny od minut. Jeżeli

żaden z przycisków usta−

wiania czasu nie jest

wciśnięty, na wejście 10 U4

podawane są impulsy co

jedną minutę (punkt A

połączony z B).

Do omówienia pozostaje zasilanie

zegara. Głównym źródłem energii jest zasi−

lacz (może być niestabilizowany) o napię−

ciu wyjściowym 8V i wydajności prądowej

do 0,5A. Podłączamy go do złącza ZZ. W

celu podtrzymania wskazań w przypadku

wyłączenia sieci do złącza ZB powinniśmy

dołączyć baterię lub akumulatorek o napię−

ciu 4,8...5V. Poprzez diodę D3 zasilać on

będzie układy U1−U7, U14 i U16 i dzięki

temu praca zegara nie ulegnie zakłóce−

niom.

razem z adresami A 13 i A 14 pamięci do

wyjść Q6, Q7 układu U1. Wejścia X i Y

U15 dołączone są do masy, w związku z

czym na wyjściach Y0−Y1 pojawia się

“wędrujące” zero logiczne. Powoduje to

wysterowanie kolejno tranzystorów T2−T5

i zasilanie wyświetlaczy.

Porozmawiamy teraz o budziku. Jest on

zrealizowany przy pomocy układów U6−

U10 i U13. Kostki U6, U7 i U13 tworzą

układ identyczny jak w zegarze. Dwa pier−

wsze zapewniają zliczanie do 1440, czyli

ustawienie czasu budzenia, U13 to pamięć

będąca kopią U11. Służy do wyświetlania

nastawianego czasu budzenia.

Zobrazowanie nastaw budzika można było

rozwiązać za pomocą demultiplekserów.

Tylko po co, skoro pamięci można łączyć

wyjściami – pamięć nieaktywna ustawia

swoje wyjścia w stan wysokiej impedancji.

I tę cechę wykorzystałem. Układy U8−U10

to komparatory porównujące stany

panujące na wyjściach licznika U4 ze stana−

mi na wyjściach U6. Jeżeli są zgodne, na

wyjściu 3 U10 pojawia się jedynka logiczna

− wysterowuje ona tranzystor T6 – do jego

kolektora wyprowadzonego na złącze P

możemy dołączyć dowolny układ sygna−

lizacyjny. W moim przypadku jest to

piezoelement z wbudowanym genera−

torem. Wyłączenie budzika przełącznikiem

S2 jest równoznaczne z podaniem na

Jarosłław Barańskii

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: