Pieni LED -matriisikello: 8 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Olen aina halunnut saada vanhanaikaisen pöytäkellon, joka näyttää jotain 90-luvun elokuvista ja jossa on melko nöyrät toiminnot: reaaliaikainen kello, päivämäärä, vaihtuva taustavalo, piippaus ja hälytysvaihtoehto. Joten, minulla on idea, rakentaa yksi: Digitaalinen laite, joka perustuu mikrokontrolleriin, jossa on kaikki edellä mainitut ominaisuudet ja joka saa virtansa USB: llä - joko tietokoneella tai millä tahansa USB -laturilla. Koska halusin tehdä siitä ohjelmoitavan valikoiden ja asetusten säätämisen avulla, MCU: n sijoittaminen oli väistämätöntä tässä projektissa. ATMEGA328P IC (josta jokainen Arduino Uno -kortti koostuu) valittiin piirin "aivoiksi" (mistä puheen ollen, minulla oli vain paljon niitä). Yhdistämällä joitain elektronisia osia, kuten RGB-LED-valot, virranhallinta-ajastimen siru ja painikkeet, syntyi koko projekti-Ohjelmoitava pienikokoinen LED-näyttöpöytäkello.

Joten, kun olemme käsitelleet hankkeen kokonaisuuden, rakennetaan se

Vaihe 1: Idea

Kuten aiemmin mainittiin, laitteessamme on joitain hyvännäköisiä LED-matriisinäyttöjä, väriä vaihtavaa RGB-LED-taustavaloa, hitaasti latautuvaa kellonaikaa, kätevä USB-virtalähde ja pienikokoinen kotelo.

Kuvataan laitteen toimintalohkokaavio osittain:

1. Virtalähde:

Koska laite toimii 5 voltin tasavirralla, virtalähteen komponentti koostuu kahdesta erillisestä piiristä:

• Micro -USB -tulo - Suora laturi / PC -virtalähde.
• 5V Lineaarinen jännitesäädinpiiri, joka perustuu LM7805 IC: hen.

LM7805 -IC -piiri on valinnainen, ellet halua käyttää eri virtalähteen tulovaihtoehtoja. Laitteessamme käytetään Micro-USB-virtalähdettä.

2. Mikro -ohjainyksikkö:

Mikro -ohjain ATMEGA328P toimii koko laitteen "aivona". Sen tarkoitus on kommunikoida kaikkien oheispiirien kanssa, tarjota tarvittavat tiedot ja ohjata laitteen käyttöliittymää. Koska valittu mikrokontrolleri on ATMEGA328P, tarvitsemme Atmel Studion ja C -perustiedot (kaaviot ja ohjelmointisekvenssit kuvataan seuraavissa vaiheissa).

3. Real-Time Clock -piiri:

Toiseksi tärkein piiri laitteessa. Sen tarkoituksena on tarjota päivämäärä- ja aikatiedot sekä niiden tallentamisvaatimus ilman riippuvuutta syöttövirtayhteydestä, ts. Aikatiedot päivitetään reaaliaikaisessa tilassa. Jotta RTC-komponentti pystyisi jatkamaan ajan ja päivämäärän tietojen vaihtamista, piiriin lisätään 3 V: n nappiparisto. IC on DS1302, sen toimintaa kuvataan lisävaiheissa.

4. Tuloliitäntä - painikekytkimet:

Tulon PB -kytkimet tarjoavat tuloliitännän käyttäjälle. Nämä kytkimet käsitellään MCU- ja ohjauslaitteen määrittämässä ohjelmassa.

5. LED -matriisinäyttö

Laitteen näyttö koostuu kahdesta IC-kääritystä HCMS-2902-aakkosnumeerisesta LED-matriisista, joista jokaisessa on 4 merkkiä 5x7 pientä LED-matriisia. Nämä näytöt ovat helppokäyttöisiä, 3-johtiminen tiedonsiirto tuettu ja pienikokoisia-kaikki mitä tarvitsemme tässä projektissa.

6. RGB -taustavalo:

Värinvaihto taustavalo perustuu ulkoiseen RGB -LED -valoon, jota ohjaavat MCU: sta tulevat PWM -signaalit. Tässä projektissa RGB LEDillä on yhteensä 4 nastaa: R, G, B ja yhteinen, jossa R, G, B -värivalikoimaa ohjataan PWM: n kautta MCU: lla.

7. summeri:

Äänimerkkiä käytetään lähinnä hälytystarkoituksiin. BJT -kytkintä käytetään riittävän virran syöttämiseen summerin komponenttiin, joten sen äänenvoimakkuus on tarpeeksi kova herättämään elävä henkilö.

Vaihe 2: Osat ja välineet

Elektroniikka:

Integroidut ja aktiiviset komponentit:

• 1 x ATMEGA328P - MCU
• 2 x HCMS2902 - AVAGO -näytöt
• 1 x DS1302 - RTC
• 1 x 2N2222A - BJT (NPN)

Passiiviset komponentit:

• Vastukset:

  • 5 x 10K
  • 1 x 180R
  • 2 x 100R

• Kondensaattorit:

  • 3 x 0,1 uF
  • 1 x 0.47uF
  • 1 x 100 uF
  • 2 x 22pF
• 1 x 4-nastainen RGB-LED
• 1 x summeri
• 1 x 32.768KHz kide

Liittimet:

• 1 x Micro-USB-liitin
• 2 x 6-nastainen vakiokorkeus (100mil) -liitin.
• 2 x 4-nastainen vakiokorkeus (100mil) -liitin.
• 1 x nappiparistokotelo.

D. Erilaisia:

• 3 x SPST-painikekytkintä
• 1 x 3V nappiparisto.

Valinnainen virtalähde:

• 1 x LM7805 - Lineaarinen säädin
• 2 x 0.1uF -korkki
• 2 x 100uF korkki

II. Mekaaninen:

• 1 x muovikotelo
• 4 x kumiset kiinnikkeet
• 1 x juotoslevyn prototyyppi
• 1 x MCU -otsikko (mikrokontrollerin vian sattuessa)
• 2 x pienet 8 mm pultit
• 2 x 8 mm aluslevyt

III. Välineet ja materiaalit:

• Juotosjohdot
• Kutistusputket
• Juotin
• Juotin
• Leikkuri
• Pihdit
• Pinsetit
• Poranterät
• Pienikokoinen tiedosto
• Erilaiset ruuvimeisselit
• Jarrusatula
• Yleismittari
• Leipälauta (valinnainen)
• Micro USB -kaapeli
• Keskikokoinen tiedosto
• Kuuma liimapistooli

• AVR ISP -ohjelmoija

IV. Ohjelmointi:

• Atmel Studio 6.3 tai 7.0.
• ProgISP tai AVRDude
• Microsoft Excel (näyttöhahmojen luomiseen)

Vaihe 3: Kaavio Kuvaus

Piirin toiminnan ymmärtämisen helpottamiseksi kaavion vaihe on jaettu seitsemään alaryhmään. Huomaa, että kaaviosivulla määritetyt verkon nimet määrittelevät myös yhteydet laitteen erillisten alipiirien välillä.

A. Pääkomponenttikortti:

Kuten aiemmin mainittiin, kaikki sopivat alipiirit, jotka haluamme olla "laitteen sisällä", sijoitetaan yhdelle leikatulle prototyyppikortille. Jatketaan selitystä emolevyn sijoitetuista piireistä:

1. Mikrokontrolleripiiri:

Tässä projektissa käytetty MCU on ATMEGA328P. Se saa virtansa ulkoisesta 5 V: n virtalähteestä, tässä tapauksessa - mikro -USB -liittimestä. Kaikki sopivat I/O -nastat on kytketty suunnitteluvaatimusten mukaisesti. Porttien I/O -kartoitus on helppo ymmärtää, koska kaikki verkkonimet määritellään täsmälleen sellaisina kuin niitä käytetään ohjelmointivaiheessa. MCU: ssa on yksinkertainen RC -nollauspiiri, jota käytetään joko ohjelmointisekvenssissä ja virran alustuksessa.

MCU: n ratkaiseva osa on ohjelmointipiiri. Siinä on 6 -nastainen ohjelmointiliitin - J5, varmista, että VCC-, GND- ja RESET -verkot ovat yhteisiä ulkoiselle ISP -ohjelmoijalle ja pääkomponenttikortille.

2. Reaaliaikainen kellopiiri:

Seuraava piiri on projektin pääreunaosa. DS1302 on valutusajan ajoituksen IC, joka tarjoaa käsitellyn ajan ja päivämäärän arvot prosessointiyksiköllemme. DS1302 kommunikoi MCU: n kanssa 3-johdinliitännän kautta, samanlainen kuin 3-johtiminen SPI-tiedonsiirto, seuraavilla linjoilla:

• RTC_SCK (Output): Suorittaa ajon ja näytteenoton SDO -linjalla lähetetyistä tiedoista.
• RTC_SDO (I/O): Tiedonsiirtolinja. Toimii tulona MCU: lle, kun vastaanotetaan kellonaika- ja päivämäärätietoja, ja ulostulona, kun tietoja lähetetään (katso lisätietoja ohjelmoinnin perusteista).
• RTC_CE: (Lähtö): Tiedonsiirron mahdollistava linja. Kun MCU on asettanut HIGH, data on valmis lähetettäväksi/vastaanotettavaksi.

DS1302 vaatii ulkoisen 32,768 kHz: n kideoskillaattorin, jotta piiri toimii oikein. Jotta vältyttäisiin suurelta ajautumiselta piirien laskentajärjestelmässä (Drift -ilmiöt ovat vain väistämättömiä tämän tyyppisissä integroiduissa piireissä), on tarpeen sijoittaa kaksi kalibrointikondensaattoria kuhunkin kidepistokkeeseen (katso kaaviot osista X1, C8 ja C9). 22pF oli optimaalinen arvo monien kokeilujen jälkeen, kun tässä projektissa oli ajanmittaustoimenpiteitä, joten kun aiot juottaa piirin kokonaan, varmista, että on mahdollista korvata nämä kondensaattorit muilla arvoilla. Mutta 22pF pienikokoiselle levylle toimi melko hyvin hyvin pienille ajeleille (7 sekuntia kuukaudessa).

Tämän piirin viimeinen mutta ei vähäisin komponentti-3 V: n nappiparisto tulee asettaa levylle, jotta DS1302-IC saa riittävästi energiaa, jotta se voi jatkaa aikansa laskemista.

4. 8 Merkkien LED -matriisi:

Laitteen näyttö perustuu 2 x 4 merkin LED-matriisinäyttöpiireihin, jotka on ohjelmoitu 3-johdinliitännän kautta, samanlainen kuin RTC-piirin DS1302, yhdellä erolla, että tiedonsiirtolinja (SDI) määritetään MCU: n ulostulona (ellet halua lisätä tilan tarkastusmahdollisuus näyttöpiirillesi). Näytöt on yhdistetty sarjaan, 3-johtiminen laajennus, joten molemmat IC: t toimivat yhtenä näyttölaitteena, jossa on mahdollisuus ohjelmoida se kaikille näyttömerkkien määrityksille (katso SPI-sarjan yhdistelmä). Kaikki piirin verkkonimet vastaavat MCU: n sopivia yhteyksiä - huomaa, että on olemassa yhteisiä verkkoja, jotka muodostavat yhteyden näyttöjen välille, eikä molempien näyttöjen opetusrajapintoja tarvitse yhdistää MCU: han. Ohjelmointi ja hahmontunnistusjärjestys määritellään lisävaiheissa.5. Käyttöliittymäpiiri:

Käyttöliittymä on jaettu kahteen alaryhmään-Tulo- ja lähtöjärjestelmät: Tulojärjestelmä: Itse laitteessa on käyttäjän syöttämä syöttö, joka on määritelty kolmella SPST-painikekytkimellä, joissa on ylimääräiset vetovastusvastukset, määritetyn logiikan käyttämiseksi joko HIGH tai LOW to MCU. Nämä kytkimet tarjoavat ohjausjärjestelmän koko ohjelmoidulle algoritmille, koska aika/päivämäärä -arvoja, valikon säätöä jne. On säädettävä.

6. Lähtöjärjestelmä:

A. summeri -piiri tarjoaa äänilähdön molemmissa tiloissa, valikkokytkentä kuittaa äänen ja hälytysalgoritmin. NPN -transistoria käytetään kytkimenä, joka antaa summerille riittävästi virtaa, jolloin se kuulostaa sopivalta. Summeria ohjataan suoraan MCU: n ohjelmistolla. RGB -LEDiä käytetään laitteen taustavalona. Sitä ohjataan suoraan MCU: lla, ja taustavalaistukseen on neljä vaihtoehtoa: PUNAINEN, VIHREÄ, SININEN, PWM- tai POIS -tila. Huomaa, että vastuksilla, jotka on kytketty sarjaan LED -R-, G- ja B -nastoihin, on eri arvot, koska jokaisella värillä on eri intensiteetti vakiovirralla. Vihreällä ja sinisellä LED -valolla on samat ominaisuudet, kun punaisella on hieman suurempi intensiteetti. Siten punainen LED on kytketty suurempaan vastusarvoon - tässä tapauksessa: 180 ohmia (katso RGB -LED -selitys). Liittimet:

Liittimet on sijoitettu emolevyyn mahdollistamaan tiedonsiirto ulkoisten liitäntäkomponenttien, kuten näytön, RGB -merkkivalon, virransyötön ja painikekytkimien ja emolevyn välillä. Jokainen liitin on omistettu eri piirille, joten laiteasennuksen monimutkaisuus vähenee dramaattisesti. Kuten kaavioista näkyy, jokainen liitinverkkojen tilaus on valinnainen ja voidaan vaihtaa, jos se tekee johdotusprosessista paljon yksinkertaisempaa. Kun olemme käsitelleet kaikki kaaviokäsitteet, siirrymme seuraavaan vaiheeseen.

Vaihe 4: Juotos

Luultavasti joillekin meistä se on hankkeen vaikein vaihe. Jotta laitteen toimiminen mahdollisimman nopeasti olisi helpompaa, juotos on suoritettava seuraavassa järjestyksessä:

1. MCU ja ohjelmointiliitin: on suositeltavaa juottaa 28 -nastainen otsikko MCU: n sijaan, jotta MCU IC voidaan korvata vian sattuessa. Varmista, että laite voidaan ohjelmoida ja käynnistää. On suositeltavaa kiinnittää nastan kuvaus tarra ohjelmointiliittimeen (katso kolmas kuva).

2. RTC -piiri: varmista kaikkien tarvittavien osien juottamisen jälkeen, että kalibrointikondensaattorit on helppo vaihtaa. Jos haluat käyttää 3 V: n nappiparistokoteloa - varmista, että se vastaa laitteen kotelon mittoja.

3. Näyttö: Kaksi näyttöpiiriä on juotettava erilliselle pienikokoiselle levylle (kuva 1). Kaikkien tarvittavien verkkojen juottamisen jälkeen on valmisteltava ulkopuoliset johdot (kuva 4): nämä johdot on juotettava ja johdettava näyttötaulun sivulle, huomaa, että johtoihin kohdistuva jännitys ja mekaaninen rasitus eivät vaikuttaa näyttölevyn juotosliitoksiin.

4. Edellisen vaiheen johtoihin tulee kiinnittää tarratarrat - mikä helpottaisi kokoonpanoprosessia huomattavasti seuraavassa vaiheessa. Valinnainen vaihe: lisää urospuolinen yksinapainen liitin jokaiseen johtoon (Arduino-tyyli).

5. Juotoslevyn jäljellä olevat liittimet, mukaan lukien oheislaitteet. Jälleen kerran on suositeltavaa sijoittaa tarrat, joissa on nastan kuvaus jokaiselle liittimelle.

6. Summeri -piiri: summeri sijaitsee laitteen sisällä, joten se on juotettava emolevyyn, liitäntä ei ole tarpeen.

7. RGB -LED: Emolevyn tilan säästämiseksi olen juottanut sarjan vastukset LED -nastoihin, joissa jokainen vastus vastaa omaa sopivaa väriä ja sopivaa MCU -tappia (kuva 5).

Vaihe 5: Kokoaminen

Tässä vaiheessa määritellään projektin ulkonäkö - sähköinen ja mekaaninen. Jos kaikki suositellut huomautukset otettiin huomioon, kokoonpanoprosessista tulee erittäin helppo suorittaa. Seuraava vaiheittainen vaihe tarjoaa täydelliset prosessitiedot:

Osa A: Kotelo

1. Poraa kolme reikää painonupin halkaisijan mukaan (tässä tapauksessa 3 mm). Poraa yksi summerille tarkoitettu reikä kotelon sivulle. Mitä tahansa haluttua poranterän halkaisijaa voidaan käyttää 3. Poraa pieni reikä hionnan perustana käytettävän USB -liittimen (tässä tapauksessa Micro USB) mukaan. Suorita sen jälkeen hiominen pienikokoisella viilalla liittimen mittojen mukaan. Poraa suhteellisen suuri reikä hionnan perustana. Suorita hiominen keskikokoisella viilalla näytön mittojen mukaan. Varmista, että näytön IC: t ovat kotelon ulkopuolella. Poraa laitteen pohjalle keskikokoinen reikä RGB -LED -halkaisijan mukaan.

1. Juotos kaksi johtoa jokaiseen kolmeen painikkeeseen (GND ja signaali). Tarrojen tarroja ja yhden nastan liittimiä johdoissa suositellaan 2. Kiinnitä neljä valmistettua johtoa RGB -LED -nastoihin. Aseta tarratarrat ja kutisteputket juotosliitoksiin 3. Kiinnitä neljä kumijalkaa laitteen pohjaan Osa C - Osien liittäminen:

1. Aseta RGB -LED kotelon pohjalle ja liitä se emolevyn erilliseen liittimeen. Kiinnitä se kuumalla liimalla. Aseta kolme painonappia, kytke ne emolevyn erilliseen liittimeen ja kiinnitä ne kuumaliimalla. Aseta USB -liitin ja kytke se ohjelmointiliittimen virtalähteen nastoihin (VCC ja GND). Varmista, että virtajohtojen napaisuus vastaa juotettuja osia. Kiinnitä se kuumalla liimalla 4. Aseta näyttökortti ja liitä se siihen tarkoitettuun liittimeen. Kiinnitä se kuumalla liimalla.

1. On suositeltavaa lisätä pultti-mutteriparit päälevyn koteloon ja yläkanteen (kuten tässä tapauksessa on esitetty).2. Johtimien rikkoutumisen välttämiseksi kiinnitä ne ulkonäöltään kotelon sisälle.

Vaihe 6: Ohjelmoinnin lyhyt esittely

Kun kaikki osat on juotettu, on suositeltavaa suorittaa laitteen ensimmäinen testaus ennen kuin siirryt lopulliseen kokoonpanovaiheeseen., AVR DRAGON jne. - Olen käyttänyt halpaa USB -ISP -ohjelmoijaa eBaysta, jota ohjaa ProgISP- tai AVRDude -ohjelmisto). Ohjelmointiympäristön on oltava Atmel Studio 4 ja uudempi (suosittelen lämpimästi ohjelmiston uusimpia versioita). Jos käytetään ulkoista, Atmel Studioon kuulumatonta ohjelmoijaa, ohjelmointiohjelmistolle on annettava.hex -tiedostopolku (sijaitsee yleensä projektin debug- tai Release -kansiossa). Varmista ennen kokoonpanovaiheeseen siirtymistä, että laite voidaan ohjelmoida ja että kaikki AVR: lle omistetut perusrakenne- ja kokoamisprosessit perustuvat ATMEGA328P -mikrokontrolleriin (katso Atmel Studion opetusohjelma).

Vaihe 7: Koodin kuvaus

Decice-koodialgoritmi kerrotaan kahteen puoliksi erilliseen kerrokseen: 1. Ydinkerros: Viestintä oheispiirien kanssa, laitteen toimintojen määrittely, alustus ja komponenttien ilmoitukset 2. Liitäntäkerros: Käyttäjän ja laitteen välinen vuorovaikutus, valikkotoiminnot, kellon/summerin/värin/hälytyksen säätö Ohjelman järjestys on kuvattu kuvassa. 1, jossa jokainen lohko vastaa MCU -tilaa. Kuvattu ohjelma toimii peruskäyttöjärjestelmänä, joka tarjoaa rajapinnan laitteiston ja ulkomaailman välillä. Seuraava selitys kuvaa ohjelman olennaista toimintaa osittain: Osa A: Ydinkerros:

1. MCU I/O -alustus: Ensinnäkin laitteistokomponentit on alustettava:- Koodin käyttämät vakiot.- Portit I/O- Liitäntä.- Oheisviestintäilmoitukset.

2. Yleiset perustoiminnot: Joitakin toimintoja käyttävät erilliset koodilohkot, jotka määrittelevät toiminnot ohjelmiston ohjaamille nastoille:- Ota RTC- ja näyttökorttiviestintä käyttöön/poista se käytöstä.- Summerin äänen luominen päälle/pois.- 3-johtiminen kello ylös/Kello alas.- Näyttää merkkien luontitoiminnot 3. Oheislaitteiden alustus: Kun I/O -portit on määritetty, piirien toimintojen välinen tiedonsiirto tapahtuu. Kun olet valmis - MCU aloittaa RTC- ja näyttöpiirien alustuksen käyttämällä edellä määriteltyjä toimintoja.

4. Perustoimintojen määritelmä: Tässä vaiheessa laite on asetettu ja valmis kommunikoimaan joidenkin oheispiirien kanssa. Nämä toiminnot määrittelevät:- Vaihtokytkimen ohjauksen- RGB-LED-toiminnon (erityisesti PWM)- Neliön aaltogeneraattorin

5. Näyttötoiminnot: En löytänyt paljon Internetistä käyttämistäni HSMS -IC: istä, joten kirjoitin sen kirjaston itse. Näyttötoiminnot tarjoavat täydellisen merkkien näyttötoiminnon, mukaan lukien ASCII -merkkien ja mahdollisten kokonaislukujen näyttämisen. Toiminnot on kirjoitettu yleisellä tavalla, joten jos on tarpeen kutsua näyttötoimintoja mistä tahansa koodin osasta, niitä on helppo käyttää, koska ne on yleistetty toiminnolla (esimerkiksi merkkijononäyttö, yksimerkkinäyttö jne.).

6. RTC -toiminnot: Kaikki RTC -toiminnot on kirjoitettu yleisellä tavalla (samanlainen kuin asetetut näyttötoiminnot) DS1302 IC: n toiminnan mukaisesti. Koodi perustuu kirjalliseen kirjastoon, joka on saatavilla monissa muunnelmissa gitHubissa. Kuten lopullisessa koodissa näet, näyttö- ja RTC -toimintojoukot sisältyvät erillisiin.c- ja.h -tiedostoihin.

1. Päätoiminto: void main main () -osassa on ilmoitettu kaikki ydinalustoiminnot. Heti kaikkien komponenttien alustamisen jälkeen MCU siirtyy äärettömään silmukkaan, jossa käyttäjä ohjaa laitteen toimintaa.

2. Reaaliaikaiset kytkimet, taustavalo ja näytön ohjaus: Äärettömän silmukan ollessa käynnissä MCU päivittää laitteen jokaisen osan. Se valitsee näytettävät tiedot, mitä painiketta painettiin ja mikä taustavalotila valittiin.

3. Käyttäjävalikon toiminnot: Näillä toiminnoilla on puumainen muoto (katso kuva X), jossa valikkojärjestelmä ja hierarkia määritellään tilakoneeksi. Jokainen tilakone, jota ohjaa käyttäjän syöttö - painike vaihtaa, joten kun asianmukaista painiketta painetaan, tilakone muuttaa arvoaan. Se on suunniteltu siten, että kaikki valikossa tehdyt laitteen muutokset muuttuvat välittömästi.

4. Käyttäjävalikon vaihto: kun käyttäjä syöttää, valikkotilan on muutettava tilaa. Nämä toiminnot tarjoavat siis käyttäjäriippuvaisen hallinnan tilakoneesta. Tässä tapauksessa: seuraava, edellinen ja OK.

Vaihe 8: Lopullinen koodi ja hyödyllisiä tiedostoja

Ja siinä se! Tässä vaiheessa löydät kaikki tarvitsemasi tiedostot:- Sähkökaaviot- Täydellinen lähdekoodi- Näytön merkkien muodostin Valinnainen ominaisuus: Näytön IC-kirjastossa voidaan näyttää erilaisia merkkejä, mutta jotkut eivät sisälly toimitukseen. Jos haluat rakentaa merkkejä itse, lisää tapaustila ASCII -viitteellä Print_Character ('') -toimintoon (katso display.c -toiminnot). Toivottavasti tästä opastuksesta on sinulle hyötyä:) Kiitos, että luit!