Arduino digitālais pulkstenis sinhronizēts ar 60 Hz elektrolīniju: 8 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:56

Šis uz Arduino balstītais digitālais pulkstenis tiek sinhronizēts ar 60 Hz elektrolīniju. Tam ir vienkāršs un lēts kopējais anoda 4 ciparu 7 segmentu displejs, kas parāda stundas un minūtes. Tas izmanto krustošanās detektoru, lai noteiktu, kad ienākošais 60 Hz sinusa vilnis šķērso nulles sprieguma punktu un iegūst 60 Hz kvadrātviļņu.

Īsā laika periodā no strāvas līnijas ienākošā sinusoidālā viļņa frekvence slodzes dēļ var nedaudz atšķirties, bet ilgākā laika periodā tā vidējā vērtība ir līdz 60 Hz. Mēs varam to izmantot, lai iegūtu laika avotu mūsu pulksteņa sinhronizēšanai.

1. darbība: shēmas shēma

Ir divas ķēdes versijas atkarībā no tā, vai vēlaties izmantot transformatoru ar centrālo krānu vai bez tā, jebkurā gadījumā ķēdes darbība ir gandrīz identiska. Šai konstrukcijai es izmantoju sienas adapteri (bez centra pieskāriena), kas izvada 12V maiņstrāvu. Ķēdes aprakstam es izmantošu šo dizainu (digitālā pulksteņa 1 shēmas shēma). Ņemiet vērā, ka ir svarīgi izmantot sienas adapteri, kas izvada 12 V, nevis 12 V līdzstrāvu, lai mēs varētu pieskarties maiņstrāvas sinusa vilnim. Jūs, iespējams, varētu izmantot arī transformatoru, kas izvada 9V maiņstrāvu, noņemiet R19 un arī to darbiniet, taču 12V ir ļoti bieži pieejams. Ķēde darbojas šādi:

120 V maiņstrāva pie 60 Hz transformators TR1 pārveido par 12 V maiņstrāvu. Tas tiek padots diodei D4 un izlabots tā, lai ar kondensatoru C3 tiktu piegādāts tikai +ve spriegums un izlīdzināts līdz aptuveni DC ar pulsāciju. Spriegums uz C3 tiek padots 7805 sprieguma regulatoram (U6), izmantojot rezistoru R19. R19 tiek izmantots, lai samazinātu spriegumu uz C3, kas manā gadījumā tika mērīts aptuveni 15 V DC. To var regulēt ar 7805, bet ar šo ieejas līmeni 7805 ir jāsamazinās aptuveni par 10 VDC, un tas kļūst diezgan karsts. Izmantojot R19, lai samazinātu spriegumu līdz aptuveni 10 V DC, mēs novēršam U6 pārāk lielu uzsilšanu. Tātad šī nav efektīva jaudas pārveidošanas tehnika, taču tā darbojas mūsu mērķiem. PIEZĪME: šeit izmantojiet vismaz 1/2W rezistoru vai vairāk. Ķēde patērē aptuveni 55 ma, tāpēc jaudas izkliede R19 ir aptuveni 1/3 W, pamatojoties uz P = I ** 2*R vai P = 55ma x 55ma x 120 omi = 0,363W. Tālāk U6 izvada tīru 5V līdzstrāvu ar C4 un C5 izejā, lai filtrētu jebkādu troksni 5V elektrolīnijā. Šis 5 V līdzstrāvas avots nodrošina visus IC uz tāfeles.

No TR1 mēs arī ņemam nefiltrēta maiņstrāvas signāla paraugu un ievadām to potenciometrā RV1, ko izmanto, lai pielāgotu krustošanās detektoram padoto līmeni. R18 un R17 veido sprieguma dalītāju, lai vēl vairāk samazinātu ienākošā maiņstrāvas sprieguma līmeni. Atcerieties, ka tas nāk pie 12 V maiņstrāvas, un mums tas jāsamazina līdz mazāk nekā 5 V, lai tas darbotos ar mūsu krustošanās detektoru, kas ir tikai baro no 5VDC. R15 un R16 nodrošina strāvas ierobežošanu, savukārt D1 un D2 ir paredzēti, lai novērstu op-amp U5 pārsniegšanu. Parādītajā konfigurācijā U5 izeja uz 1. kontakta mainīsies starp +5V un 0V katru reizi, kad ienākošais sinusoidālais vilnis mainās no pozitīva uz negatīvu. Tas ģenerē 60 Hz kvadrātveida vilni, kas tiek padots mikrokontrolleram U4. Programma, kas ielādēta U4, izmanto šo 60 Hz kvadrātviļņu, lai palielinātu pulksteni katru minūti un stundu. Kā tas tiek darīts, tiks aplūkots sadaļā par programmatūru un programmatūras komentāros.

U7 tiek izmantots 74HC595 maiņu reģistrs, jo uz mikroprocesora ir ierobežots ciparu tapu skaits, tāpēc to izmanto, lai paplašinātu izvadu skaitu. Mikroprocesorā mēs izmantojam 4 digitālās tapas, bet, izmantojot 74HC595, displejā var kontrolēt 7 segmentus. Tas tiek panākts, novirzot nobīdes reģistrā iepriekš noteiktus bitu modeļus, kas saglabāti mikrokontrollerī un apzīmē katru parādāmo ciparu.

Šeit izmantotais displejs ir parasts anods, tāpēc, lai ieslēgtu segmentu, mums jāapgriež signāla līmeņi, kas nāk no 74HC595. Kad segments ir jāieslēdz, signāls, kas nāk no 74HC595 izejas tapas, būs pie +5 V, bet, lai ieslēgtu šo displeja segmentu, mums ir nepieciešams, lai tapa, ko tā baro uz displeja, būtu 0 V. Tātad, lai to izdarītu, mums ir nepieciešami sešstūra pārveidotāji U2 un U3. Diemžēl viens invertora IC var apstrādāt tikai 6 apgriezienus, tāpēc mums ir vajadzīgi divi no tiem, lai gan otrajā mēs izmantojam tikai vienu no 6 vārtiem. Diemžēl nelietderīgi. Jūs varētu jautāt, kāpēc neizmantot šeit parasto katoda tipa displeju un likvidēt U2 un U3? Nu atbilde ir, jūs varat, man vienkārši gadās, ka manā detaļu piegādē ir kopīgs anoda tips. Ja jums ir vai vēlaties izmantot parasto katoda tipa displeju, vienkārši noņemiet U2 un U3 un atkārtoti pieslēdziet Q1 - Q4, lai tranzistoru kolektori būtu savienoti ar displeja tapām un tranzistoru emitenti būtu pievienoti zemei. Q1 - Q4 kontrolē, kurš no četriem 7 segmentu displejiem ir aktīvs. To kontrolē mikrokontrolleris, izmantojot tapas, kas savienotas ar tranzistoru Q1 - Q4 pamatni.

Palielināšanas un iestatīšanas pogas tiks izmantotas, lai manuāli iestatītu pareizo pulksteņa laiku, kad runa ir faktiski par pulksteņa izmantošanu. Nospiežot pogu Iestatīt, vienreiz palielināšanas pogu var izmantot, lai pārvietotos pa displejā redzamajām stundām. Vēlreiz nospiežot pogu Iestatīt, palielināšanas pogu var izmantot, lai pārvietotos pa displejā parādītajām minūtēm. Trešo reizi nospiežot pogu Iestatīt, tiek iestatīts laiks. R13 un R14 velk zemu ar šīm pogām saistītās mikrokontrollera tapas, kad tās netiek izmantotas.

Ņemiet vērā, ka šeit mēs esam noņēmuši U4 (Atmega328p) no tipiskās Arduino UNO prototipa plates un ievietojuši to prototipa plāksnē kopā ar pārējo ķēdi. Lai to izdarītu, mums vismaz ir jānodrošina kristāls X1 un kondensatori C1 un C2, lai nodrošinātu mikrokontrollera pulksteņa avotu, sasaistes tapu 1, atiestatīšanas tapu, augstu un nodrošinātu 5 V līdzstrāvas jaudu.

2. darbība. Maizes dēļa shēma

Neatkarīgi no tā, vai jūs veidojat ķēdi tieši tā, kā parādīts shēmas shēmā, vai varbūt izmantojat nedaudz atšķirīgu transformatoru, displeja tipu vai citas sastāvdaļas, vispirms ir jāmaina ķēde, lai pārliecinātos, ka tā darbojas un ka jūs saprotat, kā tā darbojas.

Attēlos var redzēt, ka, lai pārietu uz maizes dēli, bija nepieciešami pāris dēļi, kā arī Arduino Uno dēlis. Tātad, lai ieprogrammētu mikrokontrolleru vai eksperimentētu vai veiktu izmaiņas programmatūrā, sākotnēji jums būs nepieciešams mikrokontrollera IC uz UNO plates, lai varētu tam pievienot USB kabeli un datoru, lai augšupielādētu programmu vai veiktu izmaiņas programmatūrā.

Kad pulkstenis darbojas uz maizes dēļa un jūsu mikrokontrolleris ir ieprogrammēts, varat to atvienot no elektrotīkla un iespraust kontaktligzdā, kas atrodas jūsu pēdējā veidotā pastāvīgā pulksteņa prototipa plāksnē. To darot, noteikti ievērojiet antistatiskos piesardzības pasākumus. Rīkojoties ar mikroprocesoru, izmantojiet antistatisku rokas siksnu.

3. solis: shēmas izveide Protoboard

Ķēde ir veidota uz prototipa plāksnes gabala un no vadiem no punkta līdz punktam, izmantojot #30 AWG stieples aptīšanas vadu. Tas nodrošina stingru un uzticamu rezultātu. Tā kā manā transformatora kabeļa galā ir 5 mm spraudnis, es uzmontēju atbilstošo mātes trauku plāksnes aizmugurē, nogriežot, saliekot un urbjot 1/2 collu plakanas alumīnija sloksnes gabalu, lai pielāgotu kronšteinu un pēc tam pieskrūvējiet to pie dēļa ar maziem 4-40 uzgriežņiem un skrūvēm. Jūs varētu vienkārši nogriezt savienotāju un pielodēt atlikušos strāvas vadus pie tāfeles un ietaupīt aptuveni 20 minūšu darbu, bet es negribēju, lai transformators būtu pastāvīgi piestiprināts pie dēļa.

4. solis: kontaktligzdas izveide displejam un kāju piešķiršana

Tā kā displejam ir 16 tapas, pa 8 katrā pusē, ar atstatumu starp tapām, kas ir platāks par standarta 16 kontaktu IC ligzdu, ligzdas izmērs ir jāpielāgo displejam. To var izdarīt, vienkārši izmantojot stiepļu griezēju pāri, lai izgrieztu plastmasu, kas savieno kontaktligzdas abas puses, atdalītu tos un pielodētu atsevišķi pie tāfeles ar atstarpi, kas atbilst displeja tapu atstatumam. Tas ir izdevīgi to darīt, lai jums nebūtu jālodē tieši pie displeja tapām un pakļaujiet displeju pārmērīgam karstumam. Iepriekš redzamajā attēlā jūs varat redzēt kontaktligzdu, ar kuru es to esmu izdarījis.

Lai displejs stāvētu pareizi, es pieskrūvēju divas 1 collu skrūves prototipa tāfeles apakšējos divos stūra caurumos, kā parādīts fotoattēlos, lai izveidotu vienkāršu statīvu. Tas bija diezgan grūtsirdīgs, tāpēc, ja jūs to darāt, jūs varētu vēlaties uzlikt skrūvju aizmugurē kaut ko smagu, lai to stabilizētu.

5. darbība: shēmas plates vadu pārbaude un sagatavošanās kalibrēšanai

Kad shēmas plate ir pievienota, bet pirms pievienojat IC vai displeju vai ieslēdzat to, ieteicams pārbaudīt paneļa savienojumus ar DVM. Jūs varat iestatīt lielāko daļu DVM, lai tie pīkstētu nepārtrauktības gadījumā. Iestatiet savu DVM šajā režīmā un pēc tam sekojiet shēmai, pārbaudiet pēc iespējas vairāk ķēdes savienojumu. Pārbaudiet, vai starp +5V un zemes punktiem nav atvērta ķēde vai tuvu tai. Vizuāli pārbaudiet, vai visas sastāvdaļas ir pievienotas pareizajām tapām.

Pēc tam pievienojiet transformatoru ķēdei un ieslēdziet to. Pirms pievienojat IC vai displeju, pārbaudiet, vai 5 V strāvas sliedē ir precīzi 5 V līdzstrāva ar diapazonu vai DVM.

Pievienojiet TIKAI Op-Amp U5 IC, lai sagatavotos nākamajam solim. Šeit mēs pārbaudīsim, vai mūsu šķērsvirziena ķēde rada kvadrātveida vilni, un noregulēsim potenciometru RV1 tīram 60 Hz signālam.

6. darbība: ķēdes kalibrēšana

Vienīgā kalibrēšana, kas jāveic, ir potenciometra RV1 pielāgošana pareizam signāla līmenim, kas baro krustojuma detektoru. Ir divi veidi, kā to izdarīt:

1. Uzlieciet mērīšanas zondi uz U5 1. tapas un pārliecinieties, ka pievienojat mērīšanas zondes zemējuma vadu ar ķēdes zemējumu. Tālāk noregulējiet RV1, līdz parādās tīrs kvadrātveida vilnis, kā parādīts iepriekšējā attēlā. Ja jūs noregulējat RV1 pārāk tālu vienā vai otrā virzienā, jums vai nu nebūs kvadrātveida viļņa vai izkropļots kvadrātveida vilnis. Pārliecinieties, ka kvadrātveida viļņa frekvence ir 60 Hz. Ja jums ir mūsdienīga darbības joma, tā, iespējams, pateiks biežumu. Ja jums ir sena darbības joma, piemēram, man, pārliecinieties, ka kvadrātveida viļņu periods ir aptuveni 16,66 ms vai 1/60 sekundes.

2. Izmantojot frekvences skaitītāju vai DVM frekvences režīmā, izmēriet frekvenci U5 1. tapā un noregulējiet RV1 precīzi 60 Hz.

Kad šī kalibrēšana ir pabeigta, izslēdziet ķēdi un pievienojiet visus IC un displeju, lai pabeigtu ķēdes izveidi.

7. solis: Arduino programma

Programma ir pilnībā komentēta, lai jūs varētu izdomāt katra soļa detaļas. Programmas sarežģītības dēļ ir grūti aprakstīt katru soli, bet ļoti augstā līmenī tas darbojas šādi:

Mikroprocesors uztver ienākošos 60 Hz kvadrātveida viļņus un saskaita 60 ciklus un palielina sekunžu skaitu pēc katriem 60 cikliem. Kad sekunžu skaits sasniedz 60 sekundes jeb 3600 ciklus, minūšu skaits tiek palielināts un sekunžu skaits tiek atiestatīts uz nulli. Kad minūšu skaits sasniedz 60 minūtes, stundu skaits tiek palielināts un minūšu skaits tiek atiestatīts uz nulli. stundu skaits tiek atiestatīts uz 1 pēc 13 stundām, tātad šis ir 12 stundu pulkstenis. Ja vēlaties 24 stundu pulksteni, vienkārši nomainiet programmu, lai pēc 24 stundām atiestatītu stundas uz nulli.

Šis ir eksperimentāls projekts, tāpēc es mēģināju izmantot darīšanas ciklu, lai nomāktu slēdžu atlēcienu uz pogām Iestatīt un Palielināt. Tas darbojas samērā labi. Nospiežot iestatīšanas pogu vienreiz, palielināšanas pogu var izmantot, lai pārvietotos pa displejā redzamajām stundām. Vēlreiz nospiežot pogu Iestatīt, palielināšanas pogu var izmantot, lai pārvietotos pa displejā parādītajām minūtēm. Nospiežot pogu Set trešo reizi, tiek iestatīts laiks un pulkstenis sāk darboties.

0 un 1 raksti, kas tiek izmantoti, lai parādītu katru skaitli 7 segmentu displejos, tiek saglabāti masīvā ar nosaukumu Seven_Seg. Atkarībā no pašreizējā pulksteņa laika šie modeļi tiek ievadīti 74HC595 IC un nosūtīti uz displeju. Kurus no 4 displeja cipariem vienlaikus ieslēdz, lai saņemtu šos datus, mikroprocesors kontrolē, izmantojot displeja Dig 1, 2, 3, 4 tapas. Kad ķēde ir ieslēgta, programma vispirms izpilda testa rutīnu ar nosaukumu Test_Clock, kas nosūta pareizos ciparus, lai iedegtos katrs displejs ar skaitli no 0 līdz 9. Tātad, ja to redzat, ieslēdzot, jūs zināt, ka esat visu pareizi izveidojis.

8. solis: detaļu saraksts

1 - transformators no 120VAC līdz 12VAC aptuveni 100ma vai vairāk NPN tranzistori 8 - 330 omi rezistori 2 - 74LS04 Hex invertori 1 - 74HC595 sērijveida paralēli 8 bitu maiņu reģistrs 1 - LM358 OP -AMP (salīdzinātājs) 1 - ATMEGA328P mikrokontrolleris (Creatron) 4 - 4,7K rezistori 7 - 10K rezistori 1 - 1N4007 vai 1N44142 diode diodes 1 - 120 omi, 1/2W vai 1 W rezistors 1 - PCB stiprinājums 10K potenciometrs 1 - 470uF 25V kondensators 1 - 7805 TO220 iepakojuma sprieguma regulators 1 - 10uF 10V kondensators2 - 0,1 uF 10V kondensatori 1 - 16 MHz kristāls (Sparkfun) 2 - 22pF kondensatori 1 - sieviešu barošanas ligzda (Pēc izvēles, lai uzstādītu sienas transformatoru, ja tāds ir) 4 garas #4-40 skrūves un atbilstošie uzgriežņi1 - 1/2 collu platas plakanas alumīnija sloksnes gabals pēc individuāla griezuma un izurbti pēc izmēra

#30 AWG stieples ietīšanas stieple#22 AWG stiepleLodēt