Бинарные часы. Часы на микроконтроллере AVR с DS1307

Эти наручные электронные часы показывают время в двоичной системе, поскольку для этого требуется меньше светодиодов для отображения времени, чем у обычных цифроиндикаторных часов, да и оригинальность будет на уровне. Распространённый кварц 32С417 на 32.786 кГц был использован, чтобы PIC16F527 запустить в режиме низкой мощности и помочь повысить точность хронометража. Для ношения на запястье руки использовался подходящий матерчатый ремень.

Микроконтроллер PIC16F527 тут использовался потому, что он имеет самый маленький из доступных пакетов. Для питания часов подходят батареи типа CR2032 в специальном держателе. Эта батарея имеет приличную емкость, хотя она размером всего с монету. Чтобы уменьшить площадь печатной платы и стоимость конструкции, было выбрано одну-единственное гасящее сопротивление для всего блока SMD светодиодов.

Увеличить изображение можно сохранив его на компьютере. Проектировка схемы тут на базе типовой двухслойной печатной платы.

А стандартный 20 мм ремешок как раз помещается внутри вырезов.

Алгоритм работы часов

Основной цикл отслеживает, в каком режиме работают часы в настоящее время. Первое состояние - в нерабочем виде, где часы опрашивает коммутатор и ждет ввода пользователя. После того, как кнопка нажата, система движется ко второму состоянию, которое вычисляет, как долго часы будут отображаться. Затем идёт переход на состояние три, которое делает большую часть работы по разветвлению исходя из того, что пользователь в данный момент делает. Часы включают светодиоды в таком состоянии. Если пользователь удержал кнопку в течение более 3 секунд - часы переходят в состояние четыре. Это состояние коррекции времени. Чем дольше кнопка нажата, тем быстрее время меняется.

Часы есть практически у каждого, и являются одной из тех вещей, без которой не обойтись ни одному современному человеку. Конечно, есть те, кто предпочитает смотреть на часы в телефоне, или же на системное время компьютера, но без наручных часов каждый чувствует дискомфорт, всякий раз по привычке глядя на руку. Кажется порой, что уже ничего не придумают, что ещё такого можно вытворить с часами для того, чтобы сделать их оригинальными и по-настоящему необычными. Одним из удачных решений на этом пути, несомненно, являются , на циферблатах которых изображены забавные картинки, а время можно определять лишь приблизительно – тут работают интуиция и эмоциональная сторона. Но ещё, хотелось бы, чтобы часы давали пищу и для ума. Возможно ли это? Оказывается, более, чем возможно! Как раз для тех, кто хочет найти в часах ежедневную тренировку для ума, или просто удивлять окружающих своими нестандартными часами, создаются так называемые бинарные часы .

Что это такое? По сути, бинарные часы – это такие часы, где кардинально изменён способ представления информации – не привычными нам цифрами, а в двоичном коде. Хотя, конечно, немало бинарных часов и с цифрами, но отображается время совсем не так, как в обычных часах. В бинарных для индикации времени применяют светодиоды, потому их ещё называют диодными часами . Время на таких часах поначалу определять непросто – либо колонки цифр, либо вовсе просто светящиеся точки, расположенные в странном порядке на циферблате. Однако, освоившись, можно легко читать время по этим часам. А вот непосвящённые этого сделать не смогут! В этом есть определённое удовольствие – обладать стильными часами и в чём-то уникальными знаниями.

Вот, например, одни из самых простых для понимания, и вместе с тем, на редкость стильных бинарных часов.

Black Rock

Где купить: inter-time.ru
Цена: 1850 рублей

На первый взгляд, их циферблат наводит на ассоциации с фильмом “Матрица”, однако, это лишь первое впечатление. Четыре вертикальных колонки цифр от 0 до 9 отображают: две левые – часы, а пара правых – минуты. Таким образом, время читается справа налево. На фото, как нетрудно определить, часы показывают 5:27. Дополнительные значки вверху отражают всю остальную информацию: солнце соответствует отображению дня недели и даты, а доллар означает, что на дисплее показывается год. Бокал служит индикатором наступления второй половины дня. Для того, чтобы увидеть время, просто нажимается кнопка. Это позволяет экономить энергию батарейки.

А в этих бинарных часах цифр нет – необходимо считать светящиеся точки в столбцах самостоятельно.

Fashion Star

Где купить: inter-time.ru
Цена: 1600 рублей

Хотя поначалу эти часы напоминают скорее какой-то эквалайзер, затем можно привыкнуть, и быстро определять время.

Светящихся точек может быть и не очень много. Например, если каждая из них отвечает за свою группу цифр.

Futurama

Где купить: inter-time.ru
Цена: 1700 рублей

Индикаторы могут располагаться на циферблате как угодно. Например – дугами. Эффектно и удобно.

Flash Metal

Где купить: inter-time.ru
Цена: 1600 рублей

Фантазия дизайнеров бинарных часов не знает границ – на этих часах присутствует силует самого популярного диснеевского персонажа.

Mickey Stile

Где купить: inter-time.ru
Цена: 1200 рублей

А вот одни из наиболее ярких и функциональных бинарных LED часов сегодня на рынке. Оригинальное и в то же время понятное отображение информации делает их очень удобными для повседневного использования.

Delta V2

Где купить: leddirect.ru
Цена: 1700 рублей

Кстати, в этом магазине есть немало очень интересных бинарных часов, которые способны понравиться самым взыскательным ценителям бинарного времени.

Ну а тем, кто достиг истинного мастерства в определении времени по бинарным часам, будут особо интересны часы

Где купить: inter-time.ru
Цена: 1550 рублей

Для “непосвящённых” будет очень непросто понять, сколько всё-таки времени показывают такие часы. Для этого есть отличная и наглядная расшифровка

Определять время по ним, зная этот простой принцип, совсем не сложно.

И особо эффектно смотрятся часы c зеркальной поверхностью дисплея, под которой находится сетка с 27 диодами.

Где купить: inter-time.ru
Цена: 1400 рублей

Часы отсчитываются по вертикальным линиям, минуты по горизонтальным.

Эти, и многие другие бинарные часы, помогут вам взглянуть на время по-иному, будут способствовать развитию памяти, и станут, возможно, самой стильной деталью вашего имиджа. Окружающие будут поражены не только самим видом таких часов, но и тем, с какой лёгкостью можно определить время по ним.

Однако перед этим научитесь , ведь, согласитесь, будет неловко признаться в незнании, когда вас попросят подсказать, который час. Вы подскажете, конечно, но ведь ваши сведения можно сравнить с показаниями традиционных часов. Согласитесь, будет неловко. Поэтому следуйте простым инструкциям, и вы научитесь определять время по бинарным часам . Сделать это можно двумя способами.

Двоично-десятичный режим

Расшифровка

Для начала внимательно посмотрите на бинарные часы . Дисплей часов имеет три столбика, в каждом из которых предусмотрено по два ряда огоньков.

Первый столбец показывает часы, второй, соответственно, минуты, ну и третий подскажет, сколько секунд утекло. Все столбики имеют одинаковую структуру.

Первый ряд огоньков в столбце, отражающем часы, показывает первую цифру, десятки, а второй, вторую цифру - единицы. Каждый ряд содержит в себе от двух до четырех огоньков, каждый из которых подразумевает степень двойки. Так самый нижний огонек представляет 2 в степени «0». Такое значение принимается за единицу.

Второй огонек представляет 2 в степени «1», что принимается за двойку.

Третий огонек символизирует 2 в степени «2», т.е. обозначает четыре. Ну и четвертый огонек отображает 2 в третьей степени, что расшифровывается как восемь (см. изображение).

Теперь, когда вы имеете представление о работе бинарных часов, попробуйте определить, сколько часов показывают бинарные часы на изображении. Вы видите, что в первом ряду столбца, отражающего часы, горит один огонек. Помним, что первый огонек отображает 2 в степени «0» и читается как единица. Далее во втором столбце не горит ни один огонек, соответственно, это читается как нуль. Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что часы на изображении показывают десять часов. Только помните, что часы отображают время в режиме суток, поэтому если вам неудобно, отнимайте двенадцать, когда часы показывают тринадцать и более часов. К примеру, если часы показывают пятнадцать, то вы можете смело считать, что это три часа.

Таким же способом попробуйте определить, сколько минут показывают бинарные часы на представленном изображении. Так в первом ряду столбца, отражающего минуты, вы видите, что горит два огонька. Вспоминая правила определения времени по бинарным часам, можно сделать вывод, что первый столбец отображает тройку. Во втором же ряду этого столбца видно, что горит три огонька. Помня о степенях двойки, сложим все показатели и получим цифру семь (см. изображение). Сопоставляя первую и вторую цифру, можно сделать вывод, что минутный столбец показывает значение 37. Вспомним о показателе часов и получим, что часы показывают время 10:37.

Расшифровка показатели секунд иногда представляется достаточно сложным, ведь секунды постоянно изменяют свои значения. Определять значение столбца с секундами вы научитесь тогда, когда определение показателей бинарных часов дойдет до автоматизма. Итак, на представленном изображении вы видите, что в первом ряду столбца, отражающего секундные значения, горит верхний третий огонек. Помня о степенях двойки, мы может сделать вывод, что этот огонек указывает на цифру 4. Во втором ряду этого же столбца горит четвертый огонек и первый, т.е. самый нижний. Следуя правилам определения времени по бинарным часам, можно сделать вывод, что верхний огонек означает цифру 8, а самый нижний, соответственно, единицу. Складываем обе цифры и получаем девятку.

Результат

Теперь сопоставим значение первого и второго ряда столба и получим значение 49. Таким образом, часы на изображении показывают время 10:37:49.

Подлинный бинарный (двоичный) режим.

Расшифровка показателей

Способ расшифровки бинарных часов, которые имеют всего два ряда совершенно такой же, как и при двоично-десятичном режиме. Однако есть один нюанс, теперь в каждом ряду имеется лишь одна строка. Огоньки в верхней колонке соответствуют принципу степеней двойки: 1, 2, 4, 8. А вот в нижней колонке вы можете заметить не четыре огонька, а шесть. Не стоит пугаться, ведь принцип и во второй колонке соблюден, просто добавлено несколько значений: 1, 2, 4, 8, 16, 32. Нет необходимости добавлять больше шести огоньков, ведь следующее значение будет 59, которое можно записать так, что будет гореть первый, второй, четвертый, пятый и шестой огоньки.

Определить часы

Теперь попробуйте определить, сколько часов показывают часы на изображении. Вы видите, что горят первый и второй огоньки. Зная о степенях двойки в бинарных часах, можно определить, что первый огонек означает цифру один, а второй, соответственно, двойку. Сложим оба показателя и получим цифру «3».

На представленном изображении часы имеют два ряда огоньков, однако вы должны помнить, что могут быть часы и со столбцами. Принцип определения времени по таким часам будет таким же, как и в этом случае. Главное помните о двоичной системе исчисления, которая подразумевает только две цифры для шифрования «0» и «1». Так показатели, которые вы только что определили, в двоичной системе будут выглядеть, как 0011, что также будет равно значению «3».

Определить минуты

Используя описанную технику, по часам на изображении можно видеть, что горят первый, четвертый и пятый огоньки. В двоичной системе это будет выглядеть, как 011001. Вспоминая о степенях двойки, можно сделать вывод, что первый огонек показывает «1», четвертый «8», а пятый, соответственно «16». Сложим все показатели и получим значение «25».

Определить секунды

Остается только определить показания секунд. Сделайте это самостоятельно по описанному принципу, если на ваших часах присутствует столбец или ряд, отображающий секунды. На представленном изображении он отсутствует, поэтому описывать его определение не имеет смысла.

Помните о практике и тренируйте свой мозг. Со временем вы научитесь быстро и с легкостью определять время по бинарным часам даже в том случае, если на первый взгляд вам показалось это очень сложным. Не зацикливайтесь на математике, помните лишь о значении и расположении каждого огонька. Для того чтобы быстро научиться определять время по бинарным часам, купите первые часы со столбцом, отображающем секунды. Значения в нем будут самыми большими, поэтому, научившись быстро определять секунды, показания минут и часов станут для вас очень простыми.

Пожелав собрать бинарные часы, я так и не нашел приемлемой готовой конструкции в сети. Большинство часов обладали серьезным недостатком – при отключении питания, настройки времени сбивались. По счастливой случайности, незадолго до этого, я начал осваивать язык Си и микроконтроллеры AVR. Итак, было решено подкрепить полученные знания практическим опытом, а заодно изобрести велосипед. А еще я очень люблю зеленые мигающие светодиоды.

Схема

RTC

Проблему сохранения текущих настроек прекрасно решают часы реального времени (RTC). Мой выбор пал на микросхему DS1307 .

По заверениям производителя, при отключении питания, она может сохранять время и дату в течении 10 лет, потребляя энергию одной лишь литиевой батарейки типа CR2032. Т.е часы продолжают тикать, сохраняя приемлемую точность хода. Время не сбивается, снова включив часы, мы получаем реальное время на циферблате, а не время на момент выключения. Микросхема общается с микроконтроллером через «квадратную шину» I 2 C, сообщая точное время и принимая новые его значения.

Сердце устройства

Выбор микроконтроллера Mega32a был продиктован следующими факторами:
Достаточное количество портов, чтобы не использовать динамическую индикацию, которую я не люблю, в первую очередь из-за того, что она раздражает зрение (мигание с высокой частотой в любом случае неестественно). С ней я познакомился, играясь с микроконтроллерами PIC на языке Proton PICBasic, и если есть возможность не использовать динамическую индикацию, я предпочту так и сделать.
Относительно низкая стоимость в 130 рублей (Mega16a, например, стоит столько же), а со скидкой так вообще 104 рубля.
Четкий QPF-44 корпус, с удобным расположением выводов

Порт «А» отображает секунды, порт «В» - минуты и порт «С» - часы. Очень удобно то, что можно присвоить портам значения времени, принятые из DS1307, без каких – либо изменений. К порту «D» подключены кнопки (пины 3 – 7), пины 0 и 1 работают как линия тактирования (SCL) и линия последовательной передачи данных (SDA) соответственно. Микросхема RTC настроена так, что выдает на своей седьмой ноге импульсы с частотой 1 герц. Эта нога подключена к 3-му пину порта «D». Сам этот порт сконфигурирован на вход, и на всякий случай включены внутренние подтяжки к плюсу питания, продублированные SMD резисторами снаружи. Такие действия в полной мере защищают от всяких неожиданностей.

Светодиоды

Светодиоды я выбрал в матовом корпусе с низкой светимостью. Сначала были опробованы яркие диоды в прозрачном корпусе, но даже при токе в 3 мА они слишком ярко и неравномерно светили, что опять таки вызывало дискомфорт. При падении напряжения на диоде в 2 вольта, напряжении питания 5 вольт и резисторе 1 кОм, значение тока, текущего через диод будет равно (5 – 2)/1000 = 3 мA. Это значение было подобрано эмпирически, а яркость свечения отлично подходит для полутемной комнаты. Если планируется устанавливать часы под прямой солнечный свет, то номинал резисторов следует уменьшить, вплоть до 200 ом, для более яркого свечения (спасибо кэп).

Кнопки

На отдельной плате с кнопками, предусмотрен «предохранитель» (он убережет нас от случайного выстрела в голову), в виде еще одной кнопки Bt6. Время можно редактировать, предварительно зажав ее.

Софт

Код написан в среде CodeVisionAvr.
Программа начинается с того, что мы настраиваем периферию микроконтроллера.
Конфигурируем порты (A,B,C – выход, D – вход)
На всякий случай предусмотрена пауза 300 мс, чтобы DS1307 успела «очухаться»
Инициализируем «квадратную шину»
Настраиваем микросхему RTC так, чтобы она выдавала прямоугольные импульсы каждую секунду на выводе SQW/OUT
Проверяем, нажата ли кнопка CLR. Если да, то сбрасываем все значения в 0
Разрешаем глобальные прерывания
Да, пару слов про них. Мы используем внешние прерывания INT0 на PD2 по спаду, т.е. каждую секунду программа будет уходить в обработчик прерываний, в котором мы считываем значения времени из DS1307 и выводим их на светодиодные индикаторы.
Уходим в бесконечный цикл, где опрашиваем кнопки
Если кнопка нажата, прибавляем (отнимаем) час (минуту) и посылаем новое значение по I2C
Попутно проверяем, вписываются ли новые значения времени в 24-х часовой и 60-ти минутный диапазоны.

Печатная плата

Плата выполнена по Великой Космической Лазерно – Утюжной Технологии на одностороннем текстолите. При изготовлении верхней платы, использовалась обычная бумага (неудачный эксперимент).

Существует много вариаций этой технологии. На мой взгляд, вот этот самый лучший:
1. Выпиливаем нужного размера кусок текстолита.
2. Шкурим торцы, избавляясь от вредных заусенцев.
3. Смазываем будущую плату чистящим порошком или зубной пастой и жесткой стороной губки драим ее до блеска.
4. Окунаем наш кусок на пару десятков секунд в слабый раствор теплого хлорного железа, до появления равномерной, матовой, бардово-коричневой поверхности. При вытаскивании из раствора, жидкость должна полностью смачивать поверхность.
5. Смываем каку, аккуратно сушим, не прикасаясь к поверхности пальцами, или чем другим жирным. Сразу кладем на чистую бумагу медью вниз, чтобы избежать попадания пыли или волос.
6. Распечатываем отзеркаленный рисунок на тонкой(!) глянцевой бумаге, можно вырезать из журнала, например. Не прикасаемся к рисунку руками. Аккуратно вырезаем, кладем рисунком вниз.
7. Прикладываем к подготовленному куску текстолита, проглаживаем через 1-2 слоя чистой бумаги, выставив утюг на максимальную температуру. Секунд 10 должно быть достаточно, ибо если передержать, дорожки расплющатся и затекут друг на друга. Тонер должен полностью прилипнуть к меди.
8. Отмачиваем под струей теплой воды, можно оставить в воде на 10 минут. Аккуратно отдираем, соскребаем бумагу. Мне в этом помогает старая зубная щетка. Удаляем оставшиеся кусочки бумаги иголкой. Тонер остается на текстолите.
9. Нагреваем на водяной бане крепкий раствор хлорного железа, бросаем туда нашу плату и бултыхаем в течении нескольких минут (по правилу Вант-Гоффа, при увеличении температуры на 10 градусов, скорость реакции увеличивается в 2 раза. Медь исчезает прямо на глазах. Можно и не греть, но ждать придется дольше.
10. Как только вся ненужная медь исчезла, выключаем газ, вытаскиваем (например пинцетом) плату, пытаемся отмыть плиту и пальцы от хлорного железа. Смываем его с платы проточной водой.
11. Берем ацетон (жидкость для снятия лака) и оттираем тонер. Можно попробовать соскрести его шкуркой или губкой.
12. Сверлим отверстия.
13. Лудим. В качестве флюса использую ЛТИ, и вам советую, однако после лужения и пайки этот флюс нужно обязательно смыть (тем же ацетоном, а лучше смесью спирто-бензин 1:1), т.к. ЛТИшка обладает некоторой проводимостью.
Все работы обязательно проводить в проветриваемом помещении, в процессе
выделяется много вредных паров.

Платы соединяются между собой PBS и PLD разъемов. Первые соединяются с верхней платой при помощи тонкого монтажного провода, его можно выковырять, например, из старого LPT кабеля или переходника.

Вторые припаиваются к нижней плате, причем штырьки, ведущие к клавиатуре загибаются (см. фото).

Печатные платы в формате SprintLayout5.0 прилагаются. На фотографиях есть пару косяков, но они уже исправлены в приложенных файлах.

Прошивка микроконтроллера

Для этого дела был собран программатор USBasp , который можно увидеть на фото сверху. Довольно приятная штука, прост в использовании и можно всегода носить его с собой в кармане(надеюсь, никто так делать не станет). Для прошивки mega32 придется установить джампер «Slow SCK».
Фьюзы:
Low fuse = 0xC4
High fuse = 0xD9
Наш микроконтроллер тактируется от внутреннего RC генератора с частотой 8 МГц. Пришлось отключить JTAG интерфейс на PortC, иначе некоторые светодиоды не будут светиться.
На плате предусмотрен ISP10 разъем, для быстрой прошивки/отладки.

Лицевая панель

Выполнена из алюминиевой пластины, шириной 40 мм и толщиной 1,5 мм. В ней просверлены 18 отверстий диаметром 5 мм, и 4 отверстия диаметром 3 мм для крепления стоек.

Сначала был распечатан шаблон и наклеен на пластину. Далее, были просверлены пилотные отверстия сверлом 1,5 мм, после чего уже сверлами нужных диаметров были просверлены основные отверстия.

В завершении, пластина была загнута, ошкурена мелкой шкуркой и отполирована пастой ГОИ.
Шаблон прилагается к приложенным файлам в виде файла layout5.0

Красный светодиод в левом верхнем углу

Повторяет импульсы, генерируемые DS1307 на 7-ой ноге, т.е. мигает каждую сегунду. Маленький p-канальный MOSFET транзистор работает в ключевом режиме, открываясь и закрываясь в такт импульсам. Сначала я хотел сделать фоновую подсветку (как Ambilight), для чего был слеплен КМОП инвертор на комплиментарной паре транзисторов(чтоб уж наверняка). Но мне не понравилось. Для одного светодиодика вполне достаточно одного транзистора, можно использовать даже pnp типа bc857. Я использовал бескорпусные mosfet irlml6402 или irlml6302.

Файлы

Исходники, hex-файл, печатные платы, схемы, схема в proteus и фьюзы заключены вот в эту картинку в виде архива. Я не доверяю файлохранилищам, своего сервера у меня пока нет, поэтому, на мой дилетантский взгляд, самым надежным местом для хранения будет Хабр. Пользователи windows могут добраться до файлов открыв сохраненную картинку с помощью WinRar.
Да, вот эта картинка.

Видео

Заключение

Источник питания можно использовать любой, способный выдать 5 вольт при токе в 70 мА. USB-порт вполне для этого подойдет. Главное, чтобы питание было «чистым», и не превышало 5 вольт. Питая часы от DC-DC преобразователя из на микросхеме mc34063 с уровнем помех ~50 мВ, я заметил глюки при установке времени. Сейчас устройство питается от свича, висящего рядом. Он выдает строго 5 вольт. По хорошему, нужно еще сделать защиту от дурака в виде диода, и какой-нибудь линейный стабилизатор на 3.3 - 5 вольт.
Отсутствие в часах функций будильника и отображения даты вполне обосновано: и то и другое присутствует в телефоне, а значит, пользоваться ими в бинарных часах с большой долей вероятности никто не будет (спасибо дядюшке Оккаму за этот вывод).