DIY Large Digital Clock with BIG Display

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OROLOGIO DIGITALE a DISPLAY GIGANTI
(Large Digital Clock)


INTRODUZIONE    [ TORNA ALL'INDICE ]

In questa pagina descrivo come realizzare un preciso orologio digitale a DISPLAY GIGANTI (formato HH:MM). Per questo progetto ho utilizzato il PICmicro della Microchip siglato PIC16F886.

Di seguito, le caratteristiche principali di questo Orologio Digitale:

  • Altezza dei caratteri: 44.8 mm.
  • Orario visualizzato con formato HH:MM (con punti di separazione lampeggianti secondo lo Standard ISO 8601)
  • Programmazione della modalità 12H oppure 24H (standard ISO 8601)
  • Programmazione della scansione audio dei secondi (simulazione orologio meccanico)
  • Programmazione della scansione audio delle ore
  • Test dei display
  • Memorizzazione delle programmazioni 12/24H e Scansioni audio su Eprom.
  • Possibilità di collegare una batteria in tampone da 8.4 o 9V per "tenere" l'orario in caso di black out
  • Prima cifra a sinistra (ore decimali) automaticamente spenta se uguale a zero

La figura seguente illustra lo schema elettrico completo dell'Orologio Digitale. Esso è stato diviso in DUE sezioni ben distinte: la sezione MAIN (Principale) e la sezione DISPLAY, dando origine a DUE PCB.

Full Schematic diagram of Large Digital Clock with PICmicro

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO FIRMWARE    [ TORNA ALL'INDICE ]

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

  • HOURS 
  • MINUTES 
  • SECONDS 

Normalmente il ciclo infinito del programma, quando non ci sono altre richieste, non fa altro che richiamare in continuazione la rutine di AGGIORNAMENTO che visualizza le ORE e i MINUTI sul display.

Il clock per il tempo avviene per mezzo di un oscillatore quarzato a 2 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.

Nella rutine di INTERRUPT (che dovrebbe essere sempre molto breve) vengono eseguite alcune istruzioni al primo impulso ed altre al secondo.

PRIMO IMPULSO SU RB0/INT - All'arrivo del primo impulso la rutine ISR:

  • Spegne i LED separatori (Dots)
  • Incrementa la variabile/contatore MIDDLESEC
  • Controlla che la variabile/contatore MIDDLESEC non sia uguale a 2.

SECONDO IMPULSO SU RB0/INT - All'arrivo del secondo impulso la ISR:

  • Incrementa ancora la variabile contatore MIDDLESEC (che quindi sarà MIDDLESEC = 2)
  • Se la variabile MIDDLESEC è uguale a 2, il programma esegue le seguenti istruzioni
  • Incrementa la variabile SECONDS
  • Se la variabile SECONDS = 60, si incrementa la variabile MINUTES e si azzera la variabile SECONDS
  • Accende i LED separatori
  • Se è stata attivata la scansione audio dei secondi, invia un impulso da 1 ms al Buzzer
  • Azzera la variabile contatore (MIDDLESEC = 0)

Al successivo impulso, i due passi appena descritti vengono ripetuti all'infinito.

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

Anche per le ore avviene la stessa cosa ma con una sostanziale differenza: se è stata impostata la modalità 12-H, la variabile HOURS può assumere solo 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 l'orario sul 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 potrebbero gestire anche in altri modi, tutto dipende dalle capacità (e se volete, dalla fantasia) del programmatore.

IL CIRCUITO DI COMANDO (Main section)    [ TORNA ALL'INDICE ]

Il disegno seguente illustra lo schema elettrico relativo alla sezione di Comando (MAIN) dove sono presenti il microcontrollore, il generatore di clock per INTERRUPT, i pulsanti per i comandi, il buzzer e l'alimentatore.

Large Digital Clock Main Schematic Diagram

I segmenti dei display sono controllati dalla Porta C del microcontrollore (vedi connettore M4) e la figura successiva ne illustra la logica.

Port-C for management 7 Segments

L'integrato U3 (ULN2803) è indispensabile per bufferare le porte del micro e far accendere i vari segmenti con la dovuta corrente (nel nostro caso poco meno di 30 mA).

Una parte della Porta B (vedi connettore M3) gestisce il Multiplexer dei Display secondo quanto riportato nella successiva tabella:

Port-B for management 7 Segments

Dal piedino 3 dell'integrato CD4060 escono gli impulsi che vanno applicata al piedino RB0/INT del microcontrollore: grazie a questi impulsi, il micro genera due interrupt al secondo. Il firmware fa tutto il resto. Applicando un preciso frequenzimetro sul piedino 9 del CD4060, è possibile verificare che il quarzo oscilli correttamente alla frequenza di 32768 Hz.

Ad ogni pressione del pulsante S2 (MINUTES), i secondi sono sempre azzerati: in questo caso, un impulso proveniente dalla Porta A6 invia un segnale di Reset anche all'integrato CD4060.

Lo strip J1 (Reset) potrebbe essere utile, cortocircuitandone i due pin, per resettare il microcontrollore in caso di problemi (ma io non ne ho mai incontrati).

Per i pulsanti ho utilizzato quelli a due reofori (Tactile Switch Straight Leads) da 6x6 mm, sostituibili con quelli più piccoli, da 3.5x6 mm.

Il lampeggio dei LED separatori è gestito dalla Porta B5 (sempre bufferata dal chip ULN2803).

Il connettore M5 è utile solo per la programmazione on-board del microcontrollore per cui, se non si ha questa esigenza, è possibile ometterlo.

La precisione dell'orologio dipende quasi esclusivamente dalla buona qualità del quarzo e dai due condensatori C6 e C7 (quest'ultimo, ceramico da 27pF, meglio di tipo NPO).
Il compensatore C6 è utile per "correggere" eventuali piccole tolleranze del quarzo: per la taratura, collegate il puntale di un frequenzimetro sul pin 9 di U2 (CD4060) e regolate il compensatore C6 fino a leggere una frequenza esatta di 32768 Hz. Tuttavia, nel mio prototipo, ho anche inserito due condensatori ceramici fissi riuscendo ad ottenere comunque una grandissima precisione per cui consiglio inizialmente di montare anche per C6, un condensatore fisso da 27pF e sostituirlo con il trimmer capacitivo solo nel caso in cui, dopo alcune ore di funzionamento, l'orologio non dovesse essere abbastanza preciso.

Nel caso si utilizzi una normale pila alcalina da 9V non ricaricabile, è necessario eliminare la resistenza R2 (2700 ohm).

IL CIRCUITO DISPLAY (Display section)    [ TORNA ALL'INDICE ]

Il disegno seguente illustra lo schema elettrico della sezione DISPLAY.

Schematic diagram of Large Digital Clock

Nel mio prototipo ho utilizzato i display ad anodo comune siglati KW1-1801AOA di colore rosso/arancio (possono lavorare fino a 50 mA di corrente) sostituibili con i modelli SA18-21xx.

Ovviamente per i display potete utilizzarne un qualsiasi altro tipo purché ad ANODO COMUNE e con il passo e la piedinatura come visibile nella successiva illustrazione (da ricordare che la caduta di tensione su ogni segmento deve essere intorno ai 6 Vcc, corrispondente alla caduta di tensione di TRE LED Rossi in SERIE).

Dispaly 7 segment

IL BUZZER    [ TORNA ALL'INDICE ]

Il Buzzer BZ ( (in questo progetto ho usato il tipo piezoelettrico) è stato inserito principalmente per generare un breve segnale acustico al passaggio di una nuova ora come avviene, ad esempio, su alcuni orologi digitali (per abilitare questa opzione, vedere il paragrafo COMANDI). Il buzzer segnala anche la pressione di un pulsantino e, se programmato, emette un brevissimo beep ogni secondo (per simulare una sorta di "orologio meccanico").

LA REALIZZAZIONE DEI CIRCUITI STAMPATI    [ TORNA ALL'INDICE ]

Nelle figure successive sono riportati i Master, i PCB Layouts e le dimensioni delle schede (per scaricare le immagini, cliccare su quella desiderata e, una volta ingrandita, con il tasto destro del mouse scegliere 'Salva immagine con nome...').

Sezione MAIN

Master (Copper Side) of MAIN Section   MAIN PCB Large Digital Clock   Dimensions of MAIN PCB

Sezione DISPLAY

Master (Copper Side) of DISPLAY Section   DISPLAY PCB LED Rotating Clock   Dimensions of DISPLAY PCB


Per quanto riguarda la scheda MAIN, consiglio vivamente di utilizzare gli zoccoli per i 3 circuiti integrati. Inoltre ricordo ancora una volta che nel caso si utilizzi una normale pila alcalina da 9 V non ricaricabile, è NECESSARIO eliminare la resistenza R2 da 2700 ohm.

Nella foto seguente è visibile il primo prototipo della scheda MAIN.

Orologio Gigante a Display

Nella scheda DISPLAY devono essere inseriti prima di tutto i ponticelli (sono disegnati in rosso sull'immagine del layout): ce ne sono molti (quasi tutti sotto i display) ma se non altro si evita di progettare schede a doppia faccia, sempre molto difficili da realizzare a livello hobbistico.

Per i punti lampeggianti devono essere utilizzati due LED rossi da 5 mm.

La foto seguente visualizza il prototipo della scheda DISPLAY.

Display of Largte Digital Clock

COME REALIZZARE I CIRCUITI STAMPATI

Come sempre, ho realizzato i circuiti stampati con il mio Bromografo & Timer. Per realizzare i circuiti stampati ho usato la seguente tecnica, ormai super-collaudata.

  • 1. Regola fondamentale è quella di lavorare in locali ben aerati (se è estate, meglio all'aperto) ed indossare SEMPRE occhiali protettivi, guanti e mascherina perché sia la soda sia il cloruro ferrico sono sostanze abbastanza pericolose. In secondo luogo, usare bacinelle o contenitori in plastica o vetro (insomma, evitare il metallo come la peste).
  • 2. Stampare il MASTER (in versione mirror, cioè a specchio) su un foglio lucido/opaco (quello usato generalmente dai geometri). La stampa del master in "mirror" è importante perché in questo modo il lato "toner" finisce a diretto contatto con il rame senza nessun "gap" ottenendo così piste perfettamente incise e definite, anche le più piccole. Per stampare uso una normale stampante laser.
  • 3. Con due pezzi di nastro, fissare il master sul vetro del bromografo (la parte "toner" va rivolta verso l'alto e, come detto, andrà a diretto contatto con il rame della basetta).
  • 4. Eliminate la pellicola di protezione della basetta presensibilizzata e poggiatela sopra il master dalla parte del lato rame. Se necessario, fissate anche la basetta con due pezzi di nastro adesivo. Con il mio bromografo, il tempo di esposizione (alle condizioni sopra indicate) è di 3'50".
  • 5. Una volta impressionate le piste col bromografo (anche se non sono visibili), immergere la basetta in un bagno di soda caustica (ATTENZIONE, usare sempre occhiali, guanti e mascherina). Il bagno può durare anche un paio di minuti e comunque fino a quando le piste non saranno finalmente visibili e ben definite e la soda avrà terminato il suo effetto "corrosivo".
  • 6. A questo punto, risciacquare per bene la basetta sotto acqua corrente e immergerla in una bacinella (IN PLASTICA) dove sarà stata versata in precedenza la soluzione di cloruro ferrico (ATTENZIONE: anche in questa fase, indossare occhiali protettivi, guanti e mascherina perché il cloruro ferrico è pericoloso). Consiglio di utilizzare il cloruro ferrico già preparato e per aumentare il tempo di incisione, può essere scaldato (senza esagerare) con una resistenza tipo quella per acquari (non vi venga in mente di usare una pentola e i fornelli del gas !). Se è estate, lasciate la bacinella con la soluzione di cloruro ferrico al sole ed avrete lo stesso effetto. Comunque vada la fase di incisione può durare dai 5 ai 15-20 minuti (dipende se il cloruro ferrico è nuovo oppure già usato in precedenza, oppure se è stato riscaldato).
  • 7. Una volta terminata l'incisione delle piste, risciacquare la basetta sotto abbondante acqua corrente quindi con acetone ripulire per bene le piste dal materiale fotosensibile. Poi pulite ancora con l'alcol ENTRAMBE le facce della basetta.
  • 8. La scheda così ottenuta può essere immersa, se lo si desidera, in una soluzione che consente la stagnatura chimica (mediante elettrolisi) di tutte le piste così da poterle proteggere nel tempo. Per questo è necessario pulire e sgrassare alla perfezione tutte le piste prima di immergere la basetta nella soluzione (ATTENZIONE, usare sempre occhiali, guanti e mascherina).
  • 9. Una volta pulita la basetta, si può passare alla fase di foratura. Usate delle buone punte HSS. Peri fori, generalmente, è possibile seguire questo schema:
    • Punta da 0.6 mm. - Piedini integrati, diodi e transistor per piccoli segnali, stabilizzatori serie "L".
    • Punta da 0.8 mm. - Praticamente tutto il resto (resistenze, condensatori, diodi tipo 1N40xx, ecc. ecc.
    • Punta da 1.0 mm. - Da usare per gli strip e connettori vari.
    • Punta da 1.2 mm. - Transistor e Diodi di potenza, stabilizzatori serie "78" ecc. tenendo presente che alcuni di questi componenti potrebbero richiedere anche punte da 1,4 - 1,6 mm.
  • 10. Una volta terminata la fase di foratura, passare alla saldatura dei componenti partendo SEMPRE dai ponticelli per passare poi a diodi e resistenza, zoccoli e via via tutti gli altri componenti in base alla loro altezza.
  • 11. Per ottenere dei buoni e perfetti PCB, se lo si desidera, utilizzare l'apposito spray per la protezione delle piste (sempre che non l'abbiate già fatto con il punto 8.)

Come si vede dalle foto successive, questa tecnica ormai collaudata porta sempre a perfetti risultati (nel master MAIN a sinistra, ci sono piste da 0.4 mm e sono state incise perfettamente). Il primo e il terzo master sono stati trattati con la soluzione SUR TIN (stagno chimico).

MAIN board with Bungard Sur Tin   Display board   Display board with Bungard Sur Tin

I COLLEGAMENTI    [ TORNA ALL'INDICE ]

Per alimentare l'orologio è sufficiente un alimentatore stabilizzato da 12 Vcc (in grado di erogare almeno 200-300 mA affinché non scaldi troppo) da collegare alla morsettiera M1 come visibile nel seguente schema.

Large Digital Clock - Wiring

Fare attenzione al verso dei connettori e, soprattutto, ai collegamenti dell'alimentatore e dell'eventuale batteria in tampone.

L'assorbimento medio continuo del circuito, in condizioni normali (senza batteria ricaricabile) è di circa 120-130 mA ma chiaramente dipende anche dalle cifre visualizzate giacché un display che visualizza l'orario 20:28 assorbe quattro volte la corrente di un display che visualizza 1:11 !.

Per controllare l'esatto funzionamento dell'orologio, può essere utile fare riferimento a uno dei seguenti siti:

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

L'orologio è predisposto per il collegamento di una batteria ricaricabile da 8,4/9V al Ni-Cd o Ni-MH: questa batteria consente di mantenere l'orario anche durante un black out. La batteria si ricarica lentamente attraverso la resistenza R2 da 2700 ohm.

Come detto, questa batteria entra in funzione solo durante un eventuale black out: al contrario, durante il funzionamento normale dell'orologio, la batteria si ricarica (o mantiene la sua carica fino al prossimo eventuale black out). Durante un black out, display e LED si spengono ed il buzzer non emette nessun segnale: in questo modo si "allunga" la vita della batteria in tampone che ha il solo compito di continuare a far "lavorare" il microcontrollore senza perdere l'orario quando viene a mancare la corrente elettrica. Come batteria, potete utilizzarne anche una alcalina da 9V, non ricaricabile, ma in questo caso è necessario rimuovere la resistenza R2 da 2700 ohm.

La corrente assorbita dal circuito, in mancanza della corrente elettrica, è molto bassa (inferiore ai 10 mA), per cui anche in caso di lunghi black out, la batteria da 8.4V / 9V dovrebbe garantire una lunga autonomia (fino a 10-12 ore e oltre!).

I COMANDI    [ TORNA ALL'INDICE ]

All'accensione, l'orologio esegue il TEST dei Display e poi si posiziona sull'orario 12:30.

  •  HOURS  - Ad ogni pressione di questo pulsante, le cifre delle ORE si incrementano. Se è stata programmata la modalità 24H (Sistema Orario ISO 8601), arrivati alla cifra"23", la successiva pressione del pulsante HOUR visualizza "0" (mezzanotte). Se, al contrario, è stata programmata la modalità 12H, arrivati alla cifra"12", la successiva pressione del pulsante HOURS visualizza "1". La prima cifra a sinistra (decine di ORE), se uguale a zero, è automaticamente spenta.
  •  MINUTES  - Ad ogni pressione di questo pulsante, le cifre dei MINUTI si incrementano di una unità. Quando si arriva al valore "59", la successiva pressione del pulsante MINUTES visualizza "00". Ad ogni pressione del pulsante MINUTEs, i secondi sono automaticamente azzerati.
  •  SHIFT  - La pressione di questo pulsante insieme ai pulsanti  HOURS  oppure  MINUTES  consente di impostare all'indietro (decremento) le ore o i minuti. Se premuto da solo, non si ha nessun effetto. Se premuto con il pulsante  12/24  si avvia il Test dei Display.
  •  12/24  - La pressione di questo pulsante cambia la modalità di visualizzazione da 12 a 24 ore e viceversa (funzionamento toggle). Quando si passa dalla visualizzazione "24H" a quella "12H" l'orario è aggiornato automaticamente: ad esempio, se l'orologio visualizza le 23:30, passando alla visualizzazione 12H, il nuovo valore che il display visualizza è 11:30. Dopo la pressione di questi pulsanti, sul display appare per un secondo la scritta “12-H” oppure “24-H”: la scritta indica la modalità di visualizzazione scelta. Il Sistema Orario a 24 Ore è la notazione Standard Internazionale ISO 8601 (spesso definito anche "Militay Time").
  •   HOUR Scan.    - Abilita la scansione audio delle ORE: in pratica l'orologio emette un breve segnale sonoro allo scoccare della nuova ora. Per disabilitare la scansione audio delle ore, premere nuovamente il pulsante (funzionamento toggle). Dopo ogni programmazione, sul display appare per un secondo la scritta “H On” (scansione ORE abilitata) oppure “HOFF” (scansione ORE disabilitata).
  •   SEC Scan.    - Abilita la scansione audio dei SECONDI: in pratica l'orologio emette un breve segnale sonoro ogni secondo (simulazione dell'orologio meccanico). Per disabilitare la scansione audio dei secondi, premere nuovamente i due pulsanti (funzionamento toggle). Dopo ogni programmazione, sul display appare per un secondo la scritta “S On” (scansione SECONDI abilitata) oppure “SOFF” (scansione SECONDI disabilitata).
  •  TEST  - Il TEST dei Display avviene in modo automatico alla prima accensione dell'orologio oppure tenendo premuti contemporaneamente i pulsanti  SHIFT  e  12/24 . Il TEST accende in sequenza tutti i 4 display visualizzando su ognuno sempre la cifra "8": in questo modo è possibile controllare l'integrità di tutti i segmenti.

Large Digital Clock - Commands

NB - Durante la pressione di uno qualsiasi dei pulsanti oppure durante il TEST dei display, il conteggio dell'orologio non si ferma: per questo motivo non ci saranno mai perdite di orario durante le operazioni dell'utente.
Come già accennato, i secondi sono sempre azzerati ad ogni pressione del pulsante MINUTES.

La tabella seguente illustra i messaggi del Display e le relative descrizioni.

Display Messages

L'OROLOGIO DIGITALE A DISPLAY GIGANTI (Foto-Gallery)    [ TORNA ALL'INDICE ]

Di seguito una serie di foto dell'Orologio Digitale a LED realizzato dall'autore (cliccare sulle foto per ingrandirle).

Large Digital Clock - Panel Large Digital Clock Panel in the Teko enclosure Metal Spacer for Display PCB Large Clock with Display
Digital Clock with Large Display Il pannello dell'orologio digitale a display giganti Mounting Display PCB Orologio gigante a Display Panel of Large Digital Clock
Large Digital Clock prototype Large Digital Clock prototype Large Digital Clock prototype Large Digital Clock prototype Large Digital Clock prototype

DOWNLOAD    [ TORNA ALL'INDICE ]

Nel manuale PDF (che potete scaricare cliccando sul link nella tabella successiva) troverete i disegni dei master, quelli degli schemi elettrici, le foto, i collegamenti, l'elenco componenti e un esempio di serigrafia per il pannello frontale.

Download

Scarica il Manuale Tecnico del progetto (4.3 MB)

Scarica il file .HEX (firmware v. 1.0) per la progr. del PIC16F886 (4 KB)

Vedi/Scarica il Datasheet del Microcontrollore PIC16F886 (4,8 MB)

COMMENTI    [ TORNA ALL'INDICE ]

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