www.narcisivalter.it
Progetti Elettronici

OROLOGIO DIGITALE a DISPLAY
con SECONDI ROTANTI a LED

(Electronic Digital Clock with rotating LEDs)

INTRODUZIONE    [ TORNA ALL'INDICE ]

In questa pagina descrivo come realizzare un preciso orologio digitale a DISPLAY (formato HH:MM) con la visualizzazione dei secondi rotativi a LED: per questo progetto ho utilizzato il PICmicro della Microchip siglato PIC16F887.

Di seguito, le caratteristiche principali di questo Orologio Digitale "rotante":

• Altezza dei caratteri: 25.4 mm.
• Orario visualizzato con formato HH:MM (con punti di separazione lampeggianti secondo 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
• 60 LED per i secondi rotativi
• Test dei Display e dei LED
• Memorizzazione delle programmazioni 12/24H e Scansione audio su Eeprom.
• Possibilità di collegare una batteria in tampone da 9V per "tenere" l'orario in caso di black out
• Prima cifra a sinistra (ore decimali) automaticamente spenta se uguale a zero

Nella figura seguente è riportato lo schema elettrico completo dell'Orologio Digitale a secondi rotanti. Esso è stato diviso in TRE parti ben distinte: la sezione MAIN (Principale), la sezione LED e la sezione DISPLAY, dando origine a 2 PCB diversi (i LED vanno saldati manualmente perché la loro connessione dipende dal contenitore usato).

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO FIRMWARE    [ TORNA ALL'INDICE ]

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

• Ores 
• Mins 
• Secs 

Normalmente il ciclo infinito del programma firmware, se non ci sono altre richieste, non fa altro che richiamare 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 da 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.

Dunque, per due volte al secondo, il firmware sospende qualsiasi operazione in corso ed esegue immediatamente la rutine di INTERRUPT (ISR, Interrupt Service Routine) per poi riprendere la normale esecuzione del programma dal punto esatto in cui era stato interrotto.
Le interruzioni vengono conteggiate da un'altra variabile (MidSec), anch'essa da 8 bit.

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 MidSec
• Controlla che la variabile/contatore MidSec non sia uguale a 2.

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

• Incrementa ancora la variabile contatore MidSec
• Se la variabile MidSec = 2, il programma esegue le seguenti istruzioni
• Incrementa la variabile Secs dei secondi
• Se la variabile Secs è uguale a 60, si incrementa la variabile Mins e azzera la variabile Secs
• Accende i LED separatori
• Richiama la rutine per l'accensione di uno dei 60 LED rotanti
• Azzera la variabile contatore (quindi MidSec = 0)

Questi passi vengono ripetuti una volta ogni secondo.

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

Anche per le ore avviene la stessa cosa ma con una sostanziale differenza: se è stata impostata la modalità 12-H, la variabile Ores 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 Ores vanno da 0 a 23.

Il ciclo infinito, oltre che valutare le variabili MINUTI / ORE 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 a LED rotanti.

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

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

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

L'integrato U2 (ULN2003) è indispensabile per "bufferare" le porte del micro e far accendere i vari segmenti con la dovuta corrente.

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

I due gates U4A e U4B e l'integrato CD4020 generano la frequenza di clock da 2 Hz che va applicata al piedino RB0/INT del microcontrollore: grazie a questa frequenza, il micro genera due interrupt al secondo. Il firmware fa tutto il resto.

I rimanenti 4 gates di U4 (C, D, E e F) pilotano i due LED lampeggianti sulla scheda DISPLAY.

Le resistenze R20 e R21 formano un partitore di tensione per fare in modo che sul piedino 9 (RE1) del micro ci siano circa 5V quando è presente la normale alimentazione di rete oppure un potenziale 0V in caso di black out.

Sui connettori M5 e M6 sono presenti i segnali "a matrice" per l'accensione dei 60 LED rotanti.

La precisione dell'orologio dipende dalla buona qualità del quarzo e dai due condensatori C7 e C6 (quest'ultimo, ceramico da 27pF, meglio di tipo NPO).
Il compensatore C7 è utile per "correggere" eventuali piccole tolleranze del quarzo: per la taratura, collegate il puntale di un frequenzimetro sul pin 10 di U3 (CD4020) e regolate il compensatore C7 fino a leggere una frequenza esatta di 32768 Hz. Tuttavia, nel mio prototipo, ho anche inserito solo due condensatori ceramici riuscendo ad ottenere comunque una grandissima precisione per cui consiglio inizialmente di montare anche per C7, un condensatore fisso da 22pF e sostituirlo con il trimmer capacitivo solo nel caso in cui, dopo alcune ore di funzionamento, l'orologio non dovesse essere abbastanza preciso.

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 connettore siglato M7 (ICSP) è insispensabile solo per la programmazione on-board del microcontroller: se non avete questa esigenza, può essere omesso.

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

Il disegno seguente illustra lo schema elettrico della sezione DISPLAY.

Nel mio prototipo ho utilizzato i display ad anodo comune siglati KW1-1001AOA di colore rosso/arancio (possono lavorare fino a 50 mA di corrente) sostituibili con i modelli SA10-21.

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 compresa tra i 4.2 e i 4.8 Vcc, corrispondente alla caduta di tensione di DUE LED Rossi in SERIE).

IL CIRCUITO DEI LED (LED section)    [ TORNA ALL'INDICE ]

Il disegno seguente illustra lo schema elettrico relativo alla sezione dei LED.

Per questo schema non è previsto il PCB perché i LED andranno installati e saldati manualmente in base al contenitore che si andrà ad utilizzare (rotondo, quadrato o altra forma a piacere). Per facilitare l'assemblaggio, vedere l'immagine al paragrafo COLLEGAMENTI.

Per i LED, è possibile utilizzarne di vari colori, da 3 o da 5 mm, secondo i propri gusti.

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

Sezione DISPLAY

Per quanto riguarda la scheda MAIN, consiglio vivamente di utilizzare gli zoccoli per i 4 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 R18 da 3300 ohm.

Nella foto seguente è visibile il prototipo della scheda MAIN.

Nella scheda DISPLAY devono essere inseriti prima di tutto i ponticelli (sono disegnati in rosso sull'immagine del layout): ce ne sono molti 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 3 mm.

La foto seguente visualizza il prototipo della scheda DISPLAY.

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 (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 guanti, mascherina e occhiali di protezione). 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 di tutte le piste così da poterle proteggere nel tempo.
• 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 ci sono piste da 0.3 mm e sono state incise perfettamente).

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 al connettore/strip M1 come visibile nella seguente immagine nella quale sono riportati anche i collegamenti tra la scheda MAIN e quella dei DISPLAY.

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

Nella successiva figura sono illustrati i collegamenti tra la scheda MAIN e la matrice dei LED (i collegamenti dei LED sono visti da dietro). L'immagine è molto utile durante l'assemblaggio e la saldatura dei 60 LED (i catodi K sono tutti rivolti verso il centro).

Nella foto successiva. il particolare dei collegamenti. I LED sono stati inseriti in un vecchio contenitore per orologio analogico.

Nella seguente foto, il prototipo finale e la scheda MAIN in evidenza.

Ed ecco come si presenta il prototipo una volta installata anche la scheda MAIN.

L'assorbimento medio continuo del circuito, in condizioni normali (senza batteria ricaricabile) è di poco superiore ai 150 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:

• Nist.time.gov, U.S.A.
• 24tomezones.com, Orologio Mondiale
• Worldtimeserver.com, Italy

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

L'orologio è predisposto per il collegamento di una batteria da 9V (alcalina oppure ricaricabile Ni-Cd o Ni-MH): la resistenza R18 assicura una piccola e lenta ricarica. Considerando che i black out nelle nostre case sono abbastanza rari, la batteria sarà sempre carica e pronta per entrare in funzione quando manca la rete elettrica.

La batteria in tampone, dunque, 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). Durante un black out, il display si spegne ed il buzzer non emette alcun suono: in questo modo si "allunga" l'autonomia della batteria (che ha il solo compito di continuare a far "lavorare" il microcontrollore senza perdere l'orario quando manca la corrente elettrica).

La corrente di carica in questo circuito è molto ridotta (per salvaguardare l'integrità della batteria stessa) per cui una volta scarica, potrebbero essere necessari anche alcuni giorni affinché la batteria si ricarichi completamente.

Anziché una ricaricabile, come accennato, è possibile (e lo consiglio vivamente) utilizzarne una normale alcalina da 9V, non ricaricabile: questo tipo di batteria è molto più potente rispetto ad una ricaricabile ed offre una maggiore autonomia. Ma ricordo che usando batterie alcaline (non ricaricabili) è necessario rimuovere tassativamente la resistenza R18 in quanto le batterie alcaline NON POSSONO e NON DEVONO essere ricaricate.

In ogni caso, per quanto riguarda le batterie ricaricabili (che notoriamente sono da 8.4V e non da 9V), va detto che queste necessitano di una corrente di carica ben precisa per evitare di danneggiarle per cui se proprio si vuole usare questo tipo di batteria, consiglio di inserirla nel circuito solo dopo averla ricaricata con il suo apposito caricatore: la piccola corrente che scorrea attraverso la resistenza R18 dovrebbe essere in grado di mantenerne la carica per cui la batteria sarà sempre pronta per entrare in azione in mancanza di altre fonti di alimentazione.

I COMANDI    [ TORNA ALL'INDICE ]

Alla prima accensione, l'orologio esegue il TEST dei display e si predispone sull'orario iniziale di default 12:30.
Nel circuito ci sono 4 pulsanti dedicati ai comandi e alle funzioni dell'orologio.

•  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 HOUR 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 a ritroso (decremento) le ore o i minuti. Se premuto da solo, questo pulsante non ha alcun effetto.
•  MODE  - Questo pulsante deve essere premuto insieme ad uno degli altri 3 per avere le seguenti funzioni (tutte le impostazioni seguenti sono memorizzate nella Eeprom del PIC e quindi non andranno perse in caso di totale black out):
•   MODE + HOURs    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 i due pulsanti. Dopo ogni programmazione, sul display appare per un secondo la scritta “H on” (scansione ORE abilitata) oppure “HoFF” (scansione ORE disabilitata).
•   MODE + MINUTEs    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. Dopo ogni programmazione, sul display appare per un secondo la scritta “S on” (scansione SECONDI abilitata) oppure “SoFF” (scansione SECONDI disabilitata).
•   MODE + SHIFT    La pressione di questa combinazione di pulsanti cambia la modalità di visualizzazione da 12 a 24 ore e viceversa. 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").
•  TEST  - Il TEST dei Display e dei LED avviene in modo automatico alla prima accensione dell'orologio oppure dopo ogni ripristino di rete (es. dopo un black out). Il TEST consiste nell'accensione in serie delle quattro cifre del display e successivamente dall'accensione sequenziale (veloce) di tutti i 60 LED. In questo modo si ha un'indicazione visiva della perfetta funzionalità di questi componenti.

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 manuali fatte dall'utente.
Come già accennato, i secondi sono sempre azzerati ad ogni pressione del pulsante MINUTI.

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

SERIGRAFIA    [ TORNA ALL'INDICE ]

Nei successivi disegni è illustrato un esempio di serigrafia e il relativo piano di foratura per i LED. Le immagini possono essere scaricate e, se necessario, ridotte o ingrandite per adattare il disegno alle proprie esigenze (per scaricare le immagini, cliccarci sopra e con il tasto destro del mouse scegliere 'Salva immagine con nome...').

DOWNLOAD    [ TORNA ALL'INDICE ]

I link seguenti sono utili per scaricare il Manuale di Servizio, e il datasheet del microcontrollore PIC16F887. Per domande, richieste o suggerimenti utilizzare SOLO la sezione COMMENTI.

Scarica il manuale tecnico dell'Orologio (4.5 MB) Scarica il Datasheet del Microcontrollore PIC16F887 (4.3 MB)

ERRATA CORRIGE e AGGIORNAMENTI    [ TORNA ALL'INDICE ]

Il circuito integrato MM74C14/CD40106 è abbastanza critico: sostituendolo con i modelli di diverse case, il clock potrebbe non funzionare. In questo caso è necessario sostituire il chip MM74C14 o CD40106 con il CD4069 e aggiungere un transistor all'uscita dei 4 gates che pilotano la coppia dei LED.

Nell'elenco seguente, il riassunto delle modifiche:

• a. Sostituire C6 con un condensatore ceramico (meglio se NPO) da 22 pF
• b. Sostituire R10 con una resistenza da 100 ohm
• c. Sostituire R19 con una resistenza da 100 k
• d. Aggiungere Q2 (BC237) e R36 (4k7) come illustrato nel seguente schema aggiornato:

Per la gestione del transistor Q2 si è resa necessaria anche una nuova programmazione del firmware (la versione 2.0).

COMMENTI    [ TORNA ALL'INDICE ]

[ Torna all'inizio della pagina ]