DIY Digital Clock with PIC microcontroller

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OROLOGIO DIGITALE 12/24 ORE con 16F628A
(Digital 12 or 24 Hour Clock with PIC microcontroller)


Orologio Digitale a Microcontrollore

INTRODUZIONE    [ TORNA ALL'INDICE ]

In questa pagina descrivo come realizzare un preciso orologio digitale a display (formato HH:MM:SS) utilizzando un microcontrollore della Microchip, il PIC16F628A.

Di seguito, le caratteristiche principali di questo Orologio Digitale:

  • Orario visualizzato con formato HH:MM:SS.
  • Programmazione della modalità 12H oppure 24H (standard ISO8601).
  • Programmazione della scansione audio dei secondi.
  • Programmazione del segnale acustico orario.
  • Test dei display.
  • Possibilità di collegare una batteria in tampone contro eventuali black out.
  • Display spenti durante un black out con possibilità di visualizzazione a mezzo pulsante.
  • Memorizzazione delle programmazioni 12/24H e Scansioni audio su Eeprom.
  • Prima cifra a sinistra automaticamente spenta se uguale a zero.

Nell'immagine seguente è riportato lo schema elettrico dell'Orologio Digitale.

Schema elettrico Orologio Digitale con PIC

L'orologio è uno strumento che per sua natura deve funzionare 24 ore al giorno, 365 giorni l'anno: per questo i componenti dovrebbero essere dimensionati di conseguenza, senza preoccuparsi di risparmiare sul costo o sulla qualità degli stessi. Per questo ho inserito anche l'integrato ULN2004 il quale consente al chip CD4543 di lavorare in condizioni ottimali.

Il motivo per cui ho utilizzato il CD4543 e non il più comune e facilmente reperibile CD4511 (oltretutto quest'ultimo dotato di uscite "bufferate") sta semplicemente nel fatto che il primo visualizza le cifre 9 e 6 in maniera corretta, come visibile nella figura qui a destra.

BCD-to-7-segment CD4511 vs CD4543

Un attento utente mi ha chiesto perché ho utilizzato il chip CD4543: la risposta sta nel numero di porte a disposizione. Infatti, per pilotare direttamente i 7 segmenti del display, occorrono 7 porte I/O ma avendone a disposizione solo 4 (da RA0 a RA3), si è resa necessaria l'adozione di una decodifica BCD to 7 segment.

Per i Display consiglio di utilizzare il modello Vishay TDSR5150 (Red) oppure TDSO5150 (Orange-Red) sostituibile con i modelli TDSO5150-LM e TDSO5150-M (questi ultimi con una maggiore luminosità): questi display sono in grado di sopportare fino a 25 mA di corrente per segmento e visto che vengono pilotati da multiplexer rimanendo accesi solo per pochi millisecondi, è garantita loro una lunga vita. I display possono essere sostituiti anche con gli LTS546 della Liteon, HDN1133 della Siemens e SA56-11 della Kingbright ma naturalmente ce ne sono anche molti altri. Se l'orologio è usato in ambienti dove sono presenti forti sorgenti luminose, è possibile aumentare la luminosità dei display sostituendo le resistenze R1...R6 con un valore di 4,7 kohm fino a 2,2 kohm. Le resistenze da R13 a R19 non dovrebbero MAI essere diminuite perché sono già al loro minimo valore ammissibile.

Il connettore siglato ICSP è insispensabile solo per la programmazione on-board del microcontroller quindi se non si ha questa esigenza, può essere omesso.

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO    [ TORNA ALL'INDICE ]

Il principio di funzionamento di questo orologio è abbastanza semplice.
Le variabili per il tempo sono 3, tutte di tipo  short  o  char :

  • HOURs 
  • MINUTEs 
  • SECONDs 

Normalmente il ciclo infinito del programma, se non ci sono altre richieste, non fa altro che richiamare la rutine di AGGIORNAMENTO che visualizza ORE, MINUTI e SECONDI sul display.

Il clock per il tempo avviene per mezzo di un oscillatore quarzato da 1 Hz collegato alla porta RB0/INT, quest'ultima programmata per generare un INTERRUPT ad ogni impulso. Così facendo, il firmware dà la massima priorità agli impulsi provenienti dalla porta RB0: questo significa che l'aggiornamento del tempo è prioritario rispetto a tutte le altre istruzioni presenti nel firmware.

Per impostare l'interrupt esterno (RB0/INT) si usa la seguente istruzione:
 BSF INTCON, INTE  in linguaggio C oppure  INTCON.INTE = 1  in linguaggio Basic: in questo modo la Porta B0 del microcontrollore si predispone automaticamente per ricevere gli impulsi di pilotaggio per l'INTERRUPT.

Quando arriva l'impulso sulla porta RB0/INT del microcontrollore, il programma sospende qualsiasi operazione in corso ed esegue immediatamente la rutine di INTERRUPT (ISR, Interrupt Service Routine).

Nella rutine di INTERRUPT (che dovrebbe sempre essere la più corta possibile) ci sono solo un paio di istruzioni: una che incrementa la variabile SECONDs (che può assumere valori da 0 a 59) e l'altra che azzera la variabile stessa nel caso in cui abbia raggiunto il valore 60: in quest'ultimo caso, si incrementa la variabile MINUTEs. La rutine di INTERRUPT è tutta qui ma se è stata programmata la scansione audio dei secondi, la ISR invia anche un impulso da 1 ms alla porta A7 che si traduce nel classico "toc" emesso dal buzzer.

Nel ciclo infinito del programma c'è un'istruzione condizionale che valuta la variabile MINUTEs: se questa variabile è uguale a 60, essa viene azzerata e contemporaneamente si incrementa la variabile HOURs.

Anche per le ORE avviene la stessa cosa ma con una piccola differenza: se è stata impostata la modalità 12-H, la variabile HOURs può assumere valori da 1 a 12 mentre nel caso sia stata impostata la modalità 24-H i valori che può assumere la variabile HOURs vanno da 0 a 23.

Il ciclo infinito, oltre che valutare le variabili MINUTEs / HOURs e aggiornare in continuazione il DISPLAY, controlla anche la pressione dei pulsanti (polling). Per ogni pulsante è prevista una rutine dedicata eseguita la quale, si riparte nuovamente con il ciclo infinito.

A grandi linee, dunque, questo è il principio di funzionamento dell'orologio. Naturalmente DISPLAY e PULSANTI si possono gestire anche in diversi altri modi, il tutto dipende dalla capacità (e se volete, dalla fantasia) del programmatore.

LA BASE DEI TEMPI    [ TORNA ALL'INDICE ]

La base dei tempi da 1 Hz è stata ottenuta con un quarzo ITT da 4.194304 MHz (4194304 Hz) e da due chip C/MOS, i divisori/contatori CD4060 e CD4020 (quest'ultimo sostituibile, ma solo in questo progetto, con il modello CD4040).

Piedinatura dei circuiti integrati CD4060 - CD4040 - CD4020

Nella seguente tabella sono riportati tutti i fattori di divisione ottenibili collegando un CD4060 con un CD4040 oppure con un CD4020 (in grigio i valori ininfluenti perché ottenibili anche solo con il CD4060).
Sulla colonna di sinistra sono riportati i fattori di divisione del CD4060 mentre per ogni colonna sono stati riportati tutti i fattori di divisione disponibili sulle uscite degli integrati CD4040 o CD4020 (Click sulla tabella per ingrandirla).

Fattori di Divisione dei chip CD4060 - CD4040 - CD4020

ATTENZIONE - Il CD4060 in questo progetto lavora "al limite" della frequenza sopportabile per cui è consigliabile utilizzare il modello C/MOS High Speed siglato M74HC4060B1 oppure CD74HC4060.

La base dei tempi così ottenuta "pilota" direttamente la rutine di interrupt (ISR): così facendo non ho dovuto preoccuparmi minimamente di effettuare laboriosi e noiosi calcoli tra preload, prescaler e timer, nè tantomeno utilizzare un secondo quarzo per la gestione del tempo, riuscendo ad ottenere un firmware abbastanza corto e semplice (oltretutto risparmiando una porta I/O e gestendo il lampeggio dei LED in maniera autonoma senza ricorrere al firmware).

La precisione dell'orologio dipende soprattutto dalla buona qualità del quarzo e dai due condensatori C5 e C6 (quest'ultimo, ceramico, meglio se di tipo NPO). Il compensatore C5 è utile per "correggere" eventuali piccole tolleranze del quarzo: per la taratura, collegare il puntale di un frequenzimetro sul pin 9 di U5 (M74HC4060B1) e regolare il compensatore fino a leggere una frequenza esatta di 4194304 Hz. Tra l'altro, nel mio prototipo, ho anche provato a mettere solo due condensatori fissi da 20pF riuscendo ad avere comunque una grandissima precisione per cui consiglio inizialmente di montare anche per C5 un condensatore fisso da 20pF e sostituirlo con il trimmer nel caso in cui, dopo alcune ore di funzionamento, l'orologio non fosse abbastanza preciso.

L'uscita da 1 Hz prelevata dal piedino 13 del CD4020 si applica al piedino 6 (RB0/INT) del microcontrollore (nel firmware, il piedino RB0/INT è stato programmato per ricevere gli impulsi da 1 Hz e generarne il corrispondente INTERRUPT: questo significa che ad ogni INTERRUPT, cioè ogni secondo, l'orario sarà aggiornato in modo preciso ed indipendente dal resto del codice).

Lo stesso impulso che esce dal piedino 13 del CD4020 pilota anche, tramite il transistor Q9, le due coppie di LED separatori che, ovviamente, lampeggeranno alla frequenza di 1 Hz.

IL CIRCUITO STAMPATO    [ TORNA ALL'INDICE ]

Nelle figure successive, il disegni per la realizzazione del PCB, con i ponticelli in rosso da inserire all'inizio (per scaricare le immagini, cliccare su quella desiderata e, una volta ingrandita, con il tasto destro del mouse scegliere 'Salva con nome').

PCB Digital Clock   Master PCB Digital Clock   Dimensions

In poco spazio sono stati inseriti 6 display, 5 circuiti integrati e altri componenti per cui i ponti da inserire sono 50 (quelli segnati in rosso), molti dei quali sono "nascosti" sotto i sei display: è il prezzo che si paga quando non si vuole utilizzare il circuito stampato a doppia faccia, sempre molto difficile da realizzare a livello hobbistico.

A proposito dei 4 LED lampeggianti, il PCB prevede l'utilizzo del tipo rettangolare (per ridurre al minimo lo spazio tra i display): poi, volendo, è possibile coprirne una parte con del nastro nero per ridurre la "grandezza del segmento" e farlo diventare una sorta di piccolo punto quadrato.

IL BUZZER    [ TORNA ALL'INDICE ]

Il Buzzer BUZ1 (del tipo autoscillante) è stato inserito principalmente per l'emissione di un breve beep al raggiungimento della nuova ora (beep orario) così come avviene, ad esempio, su alcuni orologi digitali (per abilitare questa opzione, vedere il paragrafo LA SCANSIONE AUDIO DELLE ORE). Se è stata programmata la scansione audio dei secondi, il buzzer emette anche un brevissimo suono ad ogni secondo (simulazione di un orologio meccanico).

LA BATTERIA IN TAMPONE DA 9V    [ TORNA ALL'INDICE ]

L'orologio è predisposto per il collegamento di una batteria ricaricabile da 9V (o 8,4V) al Ni-Cd o Ni-MH: la resistenza da 3300 ohm assicura una lenta e leggera ricarica per salvaguardare l'integrità della batteria stessa che entra in funzione solo durante un eventuale black out: al contrario, durante il funzionamento normale dell'orologio, la batteria si ricarica lentamente (e mantiene la sua carica fino al prossimo eventuale black out). Potete utilizzare anche una normale batteria alcalina da 9V, non ricaricabile, ma in questo caso è necessario rimuovere la resistenza R11 da 3300 ohm.

Durante un black out, le cifre del display vengono automaticamente spente per risparmiare corrente ed evitare proprio che la batteria si scarichi precocemente: i quattro puntini luminosi continueranno a svolgere il loro lavoro indicando che l'orologio è comunque in funzione (e, soprattutto, indicando che la batteria non è ancora scarica !).

N.B. - Il beep sulla scansione audio delle ore (se programmata) o per la scansione audio dei secondi (se programmata) funzionano anche durante un black out.

DIY Digital Clock with PIC microcontroller   Digital Clock with PIC microcontroller

I COMANDI    [ TORNA ALL'INDICE ]

All'accensione dell'orologio il display indica l'orario di default 12:30:00.
L'orologio prevede 4 pulsanti: MINUTI, ORE, SHIFT e ON.

  •  MINUTI  - Ad ogni pressione di questo pulsante, le cifre dei minuti si incrementano di un'unità. Quando si arriva al valore "59", la successiva pressione visualizza "00" ed il ciclo ricomincia. Ad ogni pressione del pulsante MINUTI, i secondi sono sempre azzerati.
  •  ORE  - Ad ogni pressione di questo pulsante, le cifre delle ore sono incrementate di un'unità. Se è stata impostata la modalità 24H, arrivati al valore "23", la successiva pressione visualizza "0" (mezzanotte) ed il ciclo ricomincia. Se, al contrario, è stata impostata la modalità ISO 12H, arrivati al valore "12", la successiva pressione del pulsante ORE visualizza "1" e il ciclo ricomincia. La prima cifra a sinistra (decine di ORE), se uguale a zero, è automaticamente spenta.
  •  SHIFT  - Quando il pulsante dei MINUTI o delle ORE sono premuti insieme al pulsante SHIFT, le cifre vengono decrementate (conteggio a ritroso).
  •  SHOW  - In caso di black out, le cifre dei Display vengono spente per "allungare" la durata della batteria: la pressione di questo pulsante permette di visualizzare l'orario. Da notare che questo pulsante funziona solo in caso di black out e, ovviamente, se è stata inserita la batteria da 9V.

Di seguito, il video realizzato dopo la stesura del secondo firmware.

Orologio Digitale a Microcontrollore

MODALITA' DI VISUALIZZAZIONE 12/24H    [ TORNA ALL'INDICE ]

Il sistema orario delle 12 ore presuppone sia riportata la stringa AM o PM (non gestita in questo progetto): al contrario, nel sistema delle 24 ore (notazione Standard Internazionale ISO-8601) non sono necessarie altre informazioni perché il sistema stesso "copre" l'intero orario della giornata. Il sistema 12H è utilizzato principalmente negli Stati Uniti, in Canada ed in Australia. In Italia, come in molti altri Stati, si utilizzano entrambi i sistemi ma si preferisce sempre di più quello delle 24H (soprattutto in campo medico), il quale non dà origine a letture ambigue.
Per programmare il sistema orario dell'orologio, premere e mantenere premuto il pulsante dei MINUTI (MINUTES) per 2 secondi o comunque fino a quando il display non visualizza la cifra "12" (sistema a 12 ore) oppure "24" (sistema a 24 ore), quindi rilasciare il pulsante.

Programmazione del Sistema 12 ore   Programmazione del Sistema 24 ore (ISO 8601)

Il valore programmato si alterna ogni volta che si avvia la procedura (funzionamento toggle). Quando si passa dalla visualizzazione "24H" a quella "12H", l'orario è aggiornato automaticamente: ad esempio, se l'orologio visualizza le 19:30:00, passando alla visualizzazione 12H, il nuovo valore sul display sarà 7:30:00. L'impostazione del sistema orario è memorizzata sulla Eeprom del PICmicro e quindi rimane in memoria anche quando viene tolta l'alimentazione (Durante la programmazione, il conteggio dell'orologio non si ferma, ma continua anche se le cifre non vengono visualizzate).

LA SCANSIONE AUDIO DEI SECONDI    [ TORNA ALL'INDICE ]

E' possibile in qualsiasi momento impostare la scansione audio dei secondi, cioè l'emissione di un breve segnale acustico ad ogni secondo. Per la programmazione, premere e mantenere premuto il pulsante delle ORE (HOURS) per 2 secondi o comunque fino a quando sul display a destra non appare la cifra "0" (scansione audio dei secondi DISABILITATA) oppure la cifra "1" (scansione audio dei secondi ABILITATA), quindi rilasciare il pulsante.

Scansione audio del tempo disabilitata   Scansione audio del tempo abilitata

Il valore programmato si alterna ogni volta che si avvia la procedura (funzionamento toggle). Questa impostazione è memorizzata sulla Eeprom del PICmicro e rimane in memoria anche quando viene tolta l'alimentazione (Durante la programmazione, il conteggio dell'orologio non si ferma, ma continua anche se le cifre non vengono visualizzate).

LA SCANSIONE AUDIO DELLE ORE    [ TORNA ALL'INDICE ]

Anche per le ORE è possibile impostare la scansione audio ovvero l'emissione di un breve segnale acustico al passaggio della nuova ora. Per la programmazione, premere e mantenere premuto il pulsante SHIFT per almeno 3 secondi o comunque fino a quando sul display di sinistra non appare la cifra "0" (scansione audio delle ore DISABILITATA) oppure la cifra "1" (scansione audio delle ore ABILITATA), quindi rilasciare il pulsante.

Scansione audio del tempo disabilitata   Scansione audio del tempo abilitata

Il valore programmato si alterna ogni volta che si avvia la procedura (funzionamento toggle).
Anche questa impostazione, come la precedente, è memorizzata sulla Eeprom del PICmicro.

TEST DISPLAY    [ TORNA ALL'INDICE ]

All'accensione, l'orologio avvia automaticamente il TEST dei display (i sei display sono accesi uno alla volta in modo sequenziale per verificare la perfetta integraità di tutti i segmenti). Tuttavia, il progetto ha subito una sola modifica hardware: l'aggiunta di un piccolo pulsante di TEST tra il piedino 4 del PICmicro e la massa, premendo il quale si avvia manualmente la procedura di TEST (se la scansione audio dei secondi è disabilitata, durante il TEST un breve beep segnala il cambio di cifra). Una volta terminato il TEST, l'orologio ritorna al suo normale funzionamento. Durante il TEST, il conteggio dell'orologio non si ferma, ma continua anche se le cifre non sono visualizzate.

Orologio Digitale con PICmicro

I dettagli della modifica sono visibili nelle immagini successive (nel mio prototipo ho inserito un piccolo microswitch tra il microcontrollore e il connettore ICSP come visibile in foto).

Modifica Orologio Digitale   Foto Modifica all'Orologio Digitale con PIC

LA SERIGRAFIA    [ TORNA ALL'INDICE ]

Nell'immagine qui a sinistra è visibile un esempio di serigrafia (per scaricare l'immagini, cliccarci sopra e una volta ingrandita, con il tasto destro del mouse scegliere 'Salva con nome').

NOTE CONCLUSIVE    [ TORNA ALL'INDICE ]

Nelle immagini successive: il programmatore PicKit2 in azione durante la stesura del firmware, il primo prototipo costruito dall'autore (notare l'assenza del pulsante di TEST) e la scheda 3D realizzata con il software Protel99SE.

PICkit2 Microchip in azione   Orologio Digitale con PIC - PICmicro Digital Clock   Orologio Digitale con PIC - Vista 3D

L'orologio funziona ormai da molti mesi ed è ancora assolutamente preciso. Per controllare la precisione, è possibile collegarsi a uno dei seguenti siti:

L'assorbimento dell'intero circuito è di poco superiore ai 100 mA (ovviamente l'assorbimento dipende anche dalla cifra visualizzata sul display giacché l'orario 1:11:11 assorbe meno corrente rispetto all'orario 22:28:28).
Se la batteria in tampone è scarica, l'assorbimento sarà maggiore almeno fino a quando la batteria stessa non raggiunge il suo livello nominale.
Durante un black out, il consumo di corrente totale scende sotto i 15 mA garantendo una buona durata della batteria in tampone.

Alcuni tipi di batterie ricaricabili non sono da 9V ma da 8,4V: anche queste batterie vanno comunque bene ma in caso di black out si scaricheranno leggermente prima rispetto a quelle da 9V. Con una batteria da 8,4 Volt - 300 mAH si ha un'autonomia di oltre 10 ore !

Se lo stabilizzatore 7805 dovesse scaldare eccessivamente, si consiglia di posizionarlo sopra un'aletta di raffreddamento e saldarne i piedini sul circuito stampato attraverso tre spezzoni di filo.

L'OROLOGIO DIGITALE (Foto)    [ TORNA ALL'INDICE ]

Di seguito una serie di foto dell'Orologio Digitale realizzato dal sottoscritto (clicca sulle foto per ingrandirle): la scheda è stata installata su un contenitore plastico della ditta TEKO dove ho fissato anche un piccolo alimentatore switching da 1 A e una batteria al Ni-Cd da 9V-170mA. Come al solito, ho fissato la scheda in modo tale da avere i pulsanti a filo con il coperchio: una volta attaccata la serigrafia ed il retino trasparente da geometri, i pulsanti stessi risultano completamente nascosti.

Orologio Digitale con PICmicro 6-digit Digital Clock 6-digit Digital Clock Orologio Digitale MCU Orologio Digitale - Profilo

DOWNLOAD    [ TORNA ALL'INDICE ]

Nel manuale tecnico in PDF (che potete scaricare cliccando sui link riportati nella successiva tabella), oltre allo schema elettrico, al disegno del master, al PCB Layout, ecc. contiene anche la lista dei componenti utilizzati nel progetto.
Per tutte le altre richieste utilizzate la sezione dei COMMENTI.

Download

Scarica il manuale tecnico e le istruzioni dell'Orologio (3.9 MB)

Vedi/Scarica il Datasheet del Microcontrollore PIC16F628A

Vedi/Scarica il Datasheet del Display Vishay TDSO5150

COMMENTI    [ TORNA ALL'INDICE ]

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