Jam Paparan Matriks LED Kecil: 8 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:11

Saya selalu mahu mempunyai jam desktop kuno, yang kelihatan seperti sesuatu dari filem tahun 90-an, dengan fungsi yang cukup rendah hati: jam masa nyata, tarikh, lampu latar yang berubah, bunyi bip dan pilihan penggera. Oleh itu, saya datang dengan idea, untuk membina satu: Peranti digital, berdasarkan mikrokontroler dengan semua ciri yang saya nyatakan di atas, dan dikuasakan oleh USB - sama ada PC atau pengecas USB mudah alih. Oleh kerana saya ingin menjadikannya dapat diprogram, dengan menu dan penyesuaian tetapan, penempatan MCU tidak dapat dielakkan dalam projek ini. ATMEGA328P IC (yang terdiri dari setiap papan Arduino Uno) dipilih untuk menjadi "otak" litar (Ngomong-ngomong, saya hanya mempunyai banyak). Menggabungkan beberapa bahagian elektronik seperti LED RGB, cip ketepatan masa pengecasan dan butang tekan, memungkinkan lahirnya keseluruhan projek - Jam paparan LED bersaiz kecil yang dapat diprogramkan.

Oleh itu, setelah kita membuat liputan mengenai entiti projek, mari kita bina

Langkah 1: Idea

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, peranti kami mengandungi beberapa paparan matriks LED yang tampan, lampu latar LED RGB yang berubah warna, cip penitipan masa caj tetes, unit bekalan kuasa USB yang mudah digunakan, dan kandang bersaiz kecil.

Mari kita jelaskan gambarajah blok operasi peranti mengikut bahagian:

1. Unit Bekalan Kuasa:

Oleh kerana peranti beroperasi pada 5 Volt DC, komponen bekalan kuasa terdiri daripada dua litar berasingan:

• Input mikro-USB - Untuk bekalan kuasa pengecas langsung PC.
• Litar pengatur voltan linear 5V berdasarkan LM7805 IC.

Litar IC LM7805 adalah pilihan, melainkan anda lebih suka melaksanakan ketersediaan input bekalan kuasa yang berbeza. Dalam peranti kami, PSU Mikro-USB digunakan.

2. Unit Pengawal Mikro:

Mikrokontroler ATMEGA328P, bertindak sebagai "otak" keseluruhan peranti. Tujuannya adalah untuk berkomunikasi dengan semua litar periferal, menyediakan data yang diperlukan dan mengawal antara muka pengguna peranti. Oleh kerana mikrokontroler terpilih adalah ATMEGA328P, kita memerlukan Atmel Studio dan pengetahuan asas C (Skema dan urutan pengaturcaraan dijelaskan dalam langkah selanjutnya).

3. Litar Jam Masa Nyata:

Litar terpenting kedua dalam peranti. Tujuannya adalah untuk menyediakan data tanggal dan waktu, dengan syarat menyimpannya, tanpa bergantung pada sambungan daya input, yaitu data waktu disegarkan dalam mod waktu nyata. Untuk menjadikan komponen RTC dapat terus mengubah data masa / tarikh, bateri sel duit syiling 3V ditambahkan ke litar. IC adalah DS1302, operasinya dijelaskan dalam langkah selanjutnya.

4. Antaramuka Input - Suis Tombol Tekan:

Suis PB input menyediakan antara muka input untuk pengguna. Suis ini diproses di MCU dan mengendalikan program yang ditentukan oleh peranti.

5. Paparan Matriks LED

Paparan peranti terdiri daripada dua matriks LED alfanumerik HCMS-2902 yang dibungkus IC, setiap IC mempunyai 4 watak matriks LED kecil 5x7. Paparan ini mudah digunakan, komunikasi 3-Wire disokong dan bersaiz kecil - semua yang kami perlukan dalam projek ini.

6. Lampu latar RGB:

Lampu latar yang berubah warna berdasarkan LED RGB luaran, dikendalikan oleh isyarat PWM yang datang dari MCU. Dalam projek ini, RGB LED mempunyai 4 pin: R, G, B dan common, di mana palet warna R, G, B dikendalikan melalui PWM oleh MCU.

7. Buzzer:

Litar buzzer digunakan sebagai output suara, terutamanya untuk tujuan penggera. Suis BJT digunakan untuk memberi arus yang cukup pada komponen buzzer, jadi kelantangannya akan cukup kuat untuk membangunkan orang yang masih hidup.

Langkah 2: Bahagian dan Alat

I. Elektronik:

A. Komponen Bersepadu dan Aktif:

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

B. Komponen Pasif:

• Perintang:

  • 5 x 10K
  • 1 x 180R
  • 2 x 100R

• Kapasitor:

  • 3 x 0.1uF
  • 1 x 0.47uF
  • 1 x 100uF
  • 2 x 22pF
• LED RGB 1 x 4-pin
• 1 x Buzzer
• 1 x 32.768KHz Kristal

C. Penyambung:

• 1 x Penyambung Mikro-USB
• Penyambung nada standard 2 x 6-pin (100mil).
• Penyambung nada standard 2 x 4-pin (100mil).
• 1 x Sarung bateri sel duit syiling.

D. Pelbagai:

• 3 x Suis Tekan-Butang SPST
• Bateri sel syiling 1 x 3V.

E. PSU pilihan:

• 1 x LM7805 - Pengatur Linear
• 2 x 0.1uF Cap
• Cap 2 x 100uF

II. Mekanikal:

• 1 x Kandang Plastik
• 4 x Lekapan getah
• 1 x papan pemateri prototaip
• 1 x MCU header (Sekiranya berlaku kegagalan mikrokontroler)
• 2 x selak 8mm Kecil
• Pencuci 2 x 8mm

III. Alat dan Bahan:

• Kawat pematerian
• Tiub yang mengecut
• Tin pematerian
• Besi pematerian
• Pemotong
• Plier
• Pinset
• Mata Bor
• Fail bersaiz kecil
• Pelbagai Pemutar Skru
• Caliper
• Multimeter
• Papan Roti (Pilihan)
• Kabel USB Mikro
• Fail bersaiz sederhana
• Senapang Gam Panas

• Pengaturcara AVR ISP

IV. Pengaturcaraan:

• Atmel Studio 6.3 atau 7.0.
• ProgISP atau AVRDude
• Microsoft Excel (Untuk pembuatan watak paparan)

Langkah 3: Huraian Skematik

Untuk lebih mudah memahami operasi litar, langkah skematik dibahagikan kepada tujuh subkumpulan. Anda harus perhatikan, bahawa nama bersih didefinisikan di halaman skematik juga menentukan hubungan antara sub-litar peranti yang berasingan.

A. Papan Komponen Utama:

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, semua sub-rangkaian yang sesuai yang kita ingin berada di dalam peranti, diletakkan di papan prototaip potongan tunggal. Mari teruskan penjelasan mengenai operasi litar papan utama yang diletakkan:

1. Litar Mikrokontroler:

MCU yang digunakan dalam projek ini adalah ATMEGA328P. Ia dikuasakan oleh bekalan kuasa 5V luaran, dalam kes ini - penyambung USB mikro. Semua pin I / O yang sesuai disambungkan mengikut keperluan reka bentuk. Pemetaan port I / O mudah difahami, kerana semua nama jaring ditentukan tepat seperti yang akan digunakan dalam langkah pengaturcaraan. MCU mempunyai rangkaian reset RC sederhana, yang digunakan sama ada pada urutan pengaturcaraan dan permulaan daya.

Bahagian penting MCU adalah litar pengaturcaraan. Terdapat penyambung pengaturcaraan 6-pin - J5, pastikan jaring VCC, GND dan RESET adalah biasa bagi programmer ISP luaran dan papan komponen utama.

2. Litar Jam Masa Nyata:

Litar seterusnya, adalah bahagian utama dalam projek. DS1302 adalah IC pencatatan masa caj trlele, yang memberikan nilai masa dan tarikh yang diproses ke unit pemprosesan kami. DS1302 berkomunikasi dengan MCU melalui antara muka 3-wayar, serupa dengan komunikasi SPI 3-wayar, pada baris berikut:

• RTC_SCK (Output): Melakukan pemanduan dan pengambilan sampel data yang sedang dihantar pada baris SDO.
• RTC_SDO (I / O): Garis pemacu data. Bertindak sebagai input ke MCU ketika data waktu / tarikh diterima dan sebagai output ketika data dihantar (Lihat langkah Keperluan Pengaturcaraan untuk penjelasan lebih lanjut).
• RTC_CE: (Output): Penghantaran data membolehkan talian. Apabila ditetapkan TINGGI oleh MCU, data siap dihantar / diterima.

DS1302 memerlukan pengayun kristal 32.768KHz luaran untuk tingkah laku litar yang mencukupi. Untuk mengelakkan arus besar pada sistem penghitungan litar (Fenomena drift tidak dapat dielakkan dalam jenis litar bersepadu ini), perlu meletakkan dua kapasitor penentukuran pada setiap pin kristal (Lihat bahagian X1, C8 dan C9 dalam skema). 22pF adalah nilai yang optimum setelah banyak percubaan dengan langkah-langkah pengekalan masa dalam projek ini, jadi, ketika anda hendak menyelesaikan litar sama sekali, pastikan bahawa ada pilihan untuk mengganti kapasitor ini dengan yang lain dengan nilai lain. Tetapi 22pF untuk papan bersaiz kecil berfungsi dengan baik untuk drift yang sangat kecil (7 Detik sebulan).

Komponen terakhir tetapi tidak kurang pentingnya - bateri sel syiling 3V harus diletakkan di papan untuk membekalkan tenaga yang mencukupi ke IC DS1302 sehingga ia dapat meneruskan operasi penghitungan masa.

4. Matrik LED 8 Watak:

Paparan peranti berdasarkan 2 x 4 aksara paparan LED Matrix LED, diprogramkan melalui antara muka 3-wayar, mirip dengan DS1302 litar RTC, dengan satu perbezaan, garis penyediaan data (SDI) ditakrifkan sebagai output MCU (Kecuali anda ingin menambahkan kemampuan pemeriksaan status ke litar paparan anda). Paparan digabungkan dalam sambungan siri 3-Wire, sehingga kedua-dua IC bertindak sebagai peranti paparan tunggal, di mana terdapat kemampuan untuk memprogramnya untuk semua definisi watak paparan (Lihat kombinasi siri SPI). Semua nama bersih litar, sepadan dengan sambungan MCU yang sesuai - perhatikan bahawa terdapat jaring umum, yang menjalin komunikasi antara paparan, dan tidak perlu menghubungkan kedua-dua antara muka paparan komunikasi dengan MCU. Urutan pengaturcaraan dan pembinaan watak ditentukan dalam langkah selanjutnya.5. Litar antara muka pengguna:

Antara muka pengguna dibahagikan kepada dua subkumpulan - Sistem input dan output: Sistem Input: Peranti itu sendiri mempunyai input yang disediakan pengguna yang ditakrifkan sebagai tiga suis butang tekan SPST, dengan perintang penarik tambahan, untuk mendorong logik yang ditentukan sama ada TINGGI atau RENDAH ke MCU. Suis ini menyediakan sistem kawalan untuk seluruh algoritma yang diprogramkan, kerana perlu menyesuaikan nilai waktu / tarikh, kawalan menu, dan sebagainya.

6. Sistem Keluaran:

A. Litar buzzer memberikan output suara di kedua-dua keadaan, pertukaran menu mengakui bunyi dan algoritma penggera. Transistor NPN digunakan sebagai suis, memberikan arus yang cukup ke buzzer, membuatnya terdengar dengan kelembutan yang sesuai. Buzzer dikendalikan secara langsung oleh perisian MCU. B. LED RGB digunakan sebagai bahagian lampu latar peranti. Ia dikendalikan secara langsung oleh MCU, dengan empat pilihan untuk pilihan lampu latar: mod MERAH, HIJAU, BIRU, PWM atau MATI. Perhatikan bahawa perintang yang dihubungkan secara bersiri ke pin LED R, G dan B mempunyai nilai yang berbeza, kerana setiap warna mempunyai intensiti yang berbeza berbanding arus yang tetap. Untuk LED hijau dan biru terdapat ciri yang sama, apabila warna merah mempunyai intensiti yang sedikit lebih besar. Oleh itu, LED merah disambungkan ke nilai ressistance yang lebih besar - dalam kes ini: 180Ohm (Lihat Penjelasan LED RGB).7. Penyambung:

Penyambung diletakkan di papan utama untuk membolehkan komunikasi antara komponen antara muka luaran seperti: Paparan, LED RGB, suis input kuasa dan butang tekan, dan papan utama. Setiap penyambung dikhaskan untuk litar yang berbeza, oleh itu kerumitan pemasangan peranti menurun secara mendadak. Seperti yang anda lihat dalam skema, setiap susunan jaring penyambung adalah pilihan dan boleh ditukar, jika proses pendawaian menjadikan prosesnya lebih mudah. Setelah merangkumi semua konsep skema, mari kita teruskan ke langkah seterusnya.

Langkah 4: Pematerian

Mungkin bagi sebilangan daripada kita, ini adalah langkah paling sukar dalam keseluruhan projek. Untuk menjadikan peranti lebih mudah berfungsi secepat mungkin, proses pematerian harus diselesaikan dalam urutan berikut:

1. MCU dan penyambung pengaturcaraan: disyorkan t solder 28 pin header dan bukannya MCU itu sendiri agar dapat menggantikan MCU IC sekiranya berlaku kegagalan. Pastikan peranti dapat diprogram dan dihidupkan. Sebaiknya letakkan pelekat keterangan pin pada penyambung pengaturcaraan (Lihat gambar ketiga).

2. Litar RTC: setelah menyolder semua bahagian yang diperlukan, pastikan kapasitor penentukuran mudah diganti. Sekiranya anda ingin menggunakan casing bateri sel duit syiling 3V - pastikan ia sesuai dengan dimensi penutup peranti.

3. Paparan: Dua IC paparan harus disolder pada papan berukuran kecil yang terpisah (Gambar 1). Setelah menyolder semua jaring yang diperlukan, perlu menyiapkan wayar di luar papan (Gambar 4): wayar ini harus disolder dan dijalankan di sisi papan paparan, perhatikan, bahawa tegangan dan tekanan mekanikal yang dikenakan pada wayar tidak akan mempengaruhi sendi pateri pada papan paparan.

4. Pada wayar dari langkah sebelumnya, pelekat label harus diletakkan - yang akan menjadikan proses pemasangan lebih mudah pada langkah selanjutnya. Langkah pilihan: tambahkan penyambung pin tunggal lelaki ke setiap wayar (gaya Arduino).

5. Penyambung baki solder pada papan utama, termasuk komponen periferal. Sekali lagi, disyorkan untuk meletakkan pelekat dengan keterangan pin untuk setiap penyambung.

6. Litar buzzer: buzzer terletak di dalam peranti, jadi ia harus disolder pada papan utama, tidak memerlukan penyambung yang saling bersambung.

7. LED RGB: Untuk menjimatkan ruang papan utama, saya telah menyolder perintang siri pada pin LED, di mana setiap perintang sesuai dengan warna yang sesuai dan pin MCU yang sesuai (Gambar 5).

Langkah 5: Berkumpul

Langkah ini menentukan penampilan projek - elektrik dan mekanikal. Sekiranya semua nota yang disarankan diambil kira, proses pemasangan menjadi sangat mudah dilakukan. Urutan langkah demi langkah berikut memberikan maklumat proses lengkap:

Bahagian A: Penutup

1. Bor tiga lubang, mengikut diameter tombol butang tekan (3mm dalam kes ini).2. Bor satu lubang khusus buzzer di sisi kandang. Sebarang diameter bit gerudi yang diinginkan boleh digunakan.3. Bor lubang kecil sebagai asas pengisaran mengikut penyambung USB yang harus anda gunakan (Micro USB dalam kes ini). Selepas itu, lakukan penggilingan dengan fail bersaiz kecil, untuk memadankan dimensi penyambung. Bor lubang yang agak besar sebagai asas pengisaran. Lakukan penggilingan dengan fail bersaiz sederhana, sesuai dengan dimensi paparan. Pastikan IC paparan terdapat di bahagian luar kandang.5. Bor lubang bersaiz sederhana di bahagian bawah peranti, mengikut diameter LED RGB. Bahagian B - Lampiran:

1. Pateri dua wayar ke setiap tiga butang tekan (GND dan isyarat). Pelekat label dan penyambung pin tunggal pada wayar disyorkan.2. Pasang empat wayar yang sudah siap ke pin LED RGB. Letakkan pelekat label dan tiub pengecutan pada sendi pateri.3. Pasang empat kaki getah di bahagian bawah peranti. Bahagian C - Menyambungkan Bahagian:

1. Letakkan RGB LED di bahagian bawah penutup, sambungkan ke penyambung khas di papan utama. Pasangkan dengan gam panas.2. Letakkan tiga suis butang tekan, sambungkannya ke penyambung khas di papan utama, pasangkan dengan gam panas. Letakkan penyambung USB, sambungkan ke pin bekalan kuasa penyambung pengaturcaraan (VCC dan GND). Pastikan kekutuban saluran bekalan kuasa sesuai dengan bahagian yang dipateri. Lekatkannya dengan gam panas.4. Letakkan papan paparan, sambungkan ke penyambung khas. Pasang dengan gam panas. Catatan:

1. Sebaiknya tambahkan pasang mur-bolt ke penutup utama papan dan penutup atas (Seperti yang ditunjukkan dalam kes ini).2. Untuk mengelakkan kegagalan wayar yang rosak, pasangkannya dengan penampilannya di dalam kandang diambil kira.

Langkah 6: Pengenalan Pengaturcaraan Ringkas

Setelah semua bahagian disolder, disarankan untuk melakukan pengujian peranti awal sebelum meneruskan ke langkah pemasangan terakhir. Kod MCU ditulis dalam C, dan ATMEGA328P diprogramkan melalui Programmer ISP mana pun (Terdapat pelbagai jenis peranti pengaturcaraan Atmel: AVR MKII, AVR DRAGON dll - Saya telah menggunakan USB ISP Programmer yang murah dari eBay, yang dikendalikan oleh perisian ProgISP atau AVRDude). Persekitaran pengaturcaraan mestilah Atmel Studio 4 ke atas (saya sangat mengesyorkan versi perisian terbaru). Sekiranya programmer luaran, bukan Atmel Studio yang melekat digunakan, perlu memberi jalan fail.hex ke perisian pengaturcaraan (Biasanya terletak di folder Debug atau Release projek). Pastikan bahawa sebelum meneruskan langkah pemasangan, peranti dapat diprogramkan, dan setiap proses pembinaan dan penyusunan projek khusus AVR berdasarkan pada mikrokontroler ATMEGA328P (Lihat tutorial Atmel Studio).

Langkah 7: Penerangan Kod

Algoritma kod keputusan ditentukan dalam dua lapisan separa terpisah: 1. Lapisan teras: Komunikasi dengan litar periferal, definisi operasi peranti, inisialisasi dan deklarasi komponen.2. Lapisan antara muka: Interaksi pengguna-peranti, fungsi menu, penyesuaian jam / buzzer / warna / penggera. Urutan program dijelaskan dalam Pic. 1, di mana setiap blok sesuai dengan keadaan MCU. Program yang dijelaskan bertindak sebagai "sistem operasi" asas yang menyediakan antara muka perkakasan dan dunia luar. Penjelasan berikut menerangkan operasi program penting mengikut bahagian: Bahagian A: Lapisan Teras:

1. Permulaan I / O MCU: Pertama sekali, perlu menginisialisasi komponen perkakasan: - Pemalar yang digunakan kod.- Pelabuhan I / O - Antaramuka.- Perisytiharan komunikasi persisian.

2. Fungsi Umum Asas: Beberapa fungsi digunakan oleh blok kod yang berasingan, yang menentukan operasi pada pin yang dikendalikan oleh perisian: - Aktifkan / Lumpuhkan RTC dan paparan komunikasi papan.- Penjanaan bunyi buzzer hidup / mati.- 3-Wire Clock fungsi atas / Jam ke bawah.- Memaparkan fungsi penciptaan watak.3. Permulaan Persisian: Setelah port I / O dikonfigurasi, komunikasi antara definisi fungsi litar berlaku. Setelah selesai - MCU memulakan inisialisasi RTC dan litar paparan menggunakan fungsi yang ditentukan di atas.

4. Definisi fungsi teras: Pada peringkat ini, peranti disiapkan dan siap untuk melakukan komunikasi dengan beberapa rangkaian periferal. Fungsi-fungsi ini menentukan: - Tukar suis beralih- Operasi RGB LED (Terutama PWM) - Penjana gelombang buzzer

5. Fungsi Paparan: Saya tidak mendapat banyak maklumat di internet mengenai IC HSMS yang saya gunakan, jadi saya menulis sendiri perpustakaannya. Fungsi paparan menyediakan fungsi paparan watak lengkap, termasuk paparan watak ASCII dan bilangan bulat. Fungsi ditulis dengan cara umum, jadi jika perlu memanggil fungsi paparan dari mana-mana bahagian kod, mudah untuk menggunakannya kerana digeneralisasikan oleh operasi (Contohnya: Paparan tali, paparan watak tunggal, dll.).

6. Fungsi operasi RTC: Semua fungsi RTC ditulis secara umum (Sama dengan fungsi Fungsi Paparan) sesuai dengan operasi IC DS1302. Kod berdasarkan pustaka bertulis, yang terdapat dalam banyak variasi di gitHub. Seperti yang akan anda lihat dalam kod akhir, set fungsi dan paparan RTC disertakan dalam fail.c dan.h yang terpisah. Bahagian B - Lapisan Antara Muka:

1. Fungsi utama: di bahagian kosong () utama, terdapat perisytiharan semua fungsi inisialisasi teras. Segera setelah inisialisasi semua komponen, MCU memasuki gelung tanpa batas, di mana fungsi peranti dikendalikan oleh pengguna.

2. Suis Masa Nyata, Lampu Latar dan Kawalan Paparan: Semasa berjalan dalam gelung tak terhingga, MCU melakukan penyegaran pada setiap bahagian peranti. Ini memilih data apa yang akan ditampilkan, butang mana yang ditekan dan mod lampu latar mana yang dipilih.

3. Fungsi menu pengguna: Fungsi ini mempunyai bentuk seperti pohon (Lihat Gambar. X), di mana sistem menu dan hierarki didefinisikan sebagai mesin negara. Setiap mesin keadaan dikendalikan oleh input pengguna - butang tekan beralih, oleh itu apabila butang tekan sesuai ditekan - mesin keadaan akan mengubah nilainya. Ia dirancang dengan cara apa-apa perubahan pada peranti yang dilakukan dalam menu, diubah seketika.

4. Peralihan Menu Pengguna: apabila input pengguna diberikan, keadaan menu harus mengubah keadaannya. Oleh itu, fungsi ini memberikan kawalan yang bergantung kepada pengguna terhadap mesin keadaan. Dalam kes ini: seterusnya, sebelumnya dan OK.

Langkah 8: Kod Akhir dan Fail Berguna

Dan itu sahaja! Dalam langkah ini, anda dapat menemukan semua fail yang mungkin anda perlukan: - Skema Elektrik- Kod Sumber Lengkap- Pembina Karakter Paparan Ciri Pilihan: Terdapat pelbagai watak yang tersedia untuk dipaparkan di perpustakaan IC paparan, tetapi beberapa tidak termasuk. Sekiranya anda ingin membina watak sendiri, tambahkan keadaan huruf besar dengan rujukan ASCII dalam fungsi Print_Character ('') (Lihat fungsi display.c). Mudah-mudahan anda akan mendapat Arahan yang berguna ini:) Terima kasih kerana membaca!