12 октября 2011 в 12:10

Простые бинарные часы с будильником на Arduino

• Разработка под Arduino

Почитав интересные статьи о том, как люди придумывают и реализуют полезные и просто забавные проекты на платформе Arduino, мне тоже захотелось сделать простую, интересную и одновременно приносящую хоть какую-то пользу конструкцию.

Но надо было придумать что-то не очень сложное, так как у меня пока еще не было ни опыта, ни более серьезной электроники типа сенсоров и моторов, ни плат расширения. Поэтому походив денек в раздумьях, решил поискать вдохновенье в интернете. Не долго блуждая по просторам сети, я нашел в одном буржуйском блоге реализацию бинарных часов. Вот это и было нужно, никакой сложной электроники, для начала самое оно.

Только я сразу решил, что в конечном итоге сделаю всю конструкцию не на breadboard, а хотя бы на макетной плате, чтобы не пришлось все разбирать и старания пропали зря. Поэтому пришлось вооружиться паяльником и всем прилагающимся.

Первые шаги

Саму плату Arduino проще всего купить, но зачем в очередной раз тратиться, если можно и изготовить вручную. Поэтому я попросил человека, для которого это пустяк, помочь мне. Благо инструкций и примеров в интернете предостаточно.
И уже через пару дней платка была у меня.

Еще понадобится breadboard и провода для соединения, вот их, пришлось заказать. Доставка много времени не заняла.

Также мелочевка, в виде резисторов, светодиодов, кнопочек, пьезопищалок и то, что можно найти, разобрав старый модем или привод CD-ROM. У меня еще были запасы старых советских радиодеталей.

Для начала этого более чем достаточно. Теперь можно начать тренироваться, для начала поморгать светодиодами, разобраться как работать с аналоговыми разъемами и с ШИМ.

Возврат к первоначальной идее. Подготовка

Разобравшись с основными принципами работы arduino и средой разработки, возвращаемся к идее сделать бинарные часы. Только мне уже захотелось немножко большего, не просто сделать отображение часов и минут, а еще хоть простенький будильник добавить.
Таким образом, для всего этого нам понадобится:

• arduino;
• breadboard (не обязательно, можно сразу припаивать все на макетную плату);
• провода. Для перемычек я вообще использовал из витой пары, они там медные, замечательно паяются, а для подключения к arduino из корпусов старых системников, т.к. на самодельной arduino у меня штырьки, а не разъемы, в отличие от заводской;
• 13 светодиодов;
• 4 кнопочки (одна с фиксацией);
• 14 резисторов 220 Ом, можно и 360 Ом (для светодиодов и пищалки);
• 4 резистора примерно по 2.2 кОм (для кнопок);
• пьезопишалка.

Как они будут работать

Для обозначения часов и минут используется два ряда светодиодов, один для первой цифры, другой для второй, сложив которые мы и получаем нужное значение. Из картинки все сразу должно быть понятно.

Схемы

Светодиоды подключаются очень просто, только их обязательно через резисторы надо втыкать, одну ногу на землю, другую в arduino, к пинам от 0 до 8 и от 10 до 13. Резистор можно подключать хоть со стороны земли, хоть со стороны платы.

Все как на следующей схеме, все выводы расписаны.

Для подключения пищалки как раз и оставил свободный 9 пин, так как нам нужен пин поддерживающий ШИМ. Резистор к пищалке я прицепил на 220 Ом, но можно и поменьше, громче будет пищать. Что такое ШИМ можно прочитать .

Так как на arduino моего типа больше нет свободных цифровых пинов(если приобрести Arduino Mega, то там их еще много), под кнопки придется использовать аналоговые. Один выход выводим на землю, другой через резистор к arduino. Разница подключения к аналоговым пинам в том, что мы уже будем считывать не цифровой сигнал HIGH или LOW, а уровень входного напряжения, преобразованный в целочисленное значение. Поэтому определять нажата кнопка или нет, придется путем проверки значения с АЦП. Займут они аналоговые пины с 0 по 3.

Две кнопки для задания минут и часов. Одна для переключения режимов. И еще одна, которая с фиксацией, для включения/выключения подсветки светодиодов.

Схема включения кнопки выглядит следующим образом, для остальных аналогично.

Общий вид:

Ее можно легко собрать на breadboard. Но хочется же законченное устройство, хоть и подключенное к arduino.

Прикинем, как будет работать и выглядеть

Поэтому, сначала все – таки набросаем наш скетч, в которой пока сделаем переключение минут, и соберем все это на breadboard, для проверки.

Собрали, подключили:

Работает. Отлично.

Теперь посмотрим, как это будет выглядеть уже на плате.

Выглядит опять же не плохо, еще куча свободного места для кнопочек и пищалки.

Будем паять

Прежде всего, надо проверить то, что у нас работало на breadboard.

И убедившись, что я еще на что-то способен, в плане припаять и не спалить, можно продолжать.

В итоге получается следующая конструкция, которая хоть и выглядит достаточно топорно, но работает вполне стабильно.

Код

После того как плата готова, можно продолжить писать код. Как я уже говорил, найти похожее не составило труда, поэтому взяв за основу чужие наработки, можно сделать так, как больше нравится самому.

Назначение кнопок поясняется на следующей картинке, конечно можно было бы еще добавить управляющих элементов и разгрузить эти, но мне наоборот не хотелось воротить кучу их, поэтому я сделал так.

Скетч получился достаточно простой, хотя и объемный. Приводить реализацию подпрограмм смысла не вижу, так как все предельно ясно и понятно из кода (и комментариев в нем), который можно посмотреть по

Проект, который отлично впишется в интерьер вашего DIY угла, комнаты, гаража или офиса, в котором вы собираете роботов и всякие гиковские автоматизированные проекты на Arduino.

На выходе проекта вы получите в пределах одного модуля следующие фичи:

• Часы!;
• Отображение даты и времени на LCD экране;
• Встроенный счетчик времени (для того, чтобы засекать время, затраченное на один проект);
• Будильник (чтобы напоминать о том, что вы засиделись и пора устроить себе разминку);
• Отслеживание движения (сберегает заряд аккумулятора, отключая LCD экран, когда вас нет рядом);
• Отлично впишется в ваш интерьер Arduino-разработчика!

Необходимые материалы для проекта

• LCD Keypad Shield (LCD шилд с кнопками) для Arduino (в данном случае - от производителя DFRobot)
• Часы реального времени (RTC) DS1307 (от Adafruit);
• Закрывающийся бокс (можно найти в радиомагазине или заказать у китайцев);
• Зуммер (Piezo Buzzer);
• PIR (Пассивный инфракрасный датчик движения);
• Проводники мама/мама;
• Джек 2.1 мм;
• Переходник для батарейки 9 В 5.5 мм / 2.1 мм;
• Крона 9 В.

Фото деталей и узлов для проекта

Сборка модуля часов реального времени

Порой модуль часов реального времени (например, от компании Adafruit DS1307), поставляется в виде отдельных компонентов. Сборка не должна вызвать проблем. Тем более, есть отличная инструкция по использованию и сборке модуля часов реального времени . Как правило, батарейка идет в комплектации модуля. Работать от одной батарейки он будет не меньше трех лет.

Коннектор для питания

Для того, чтобы не возникало проблем с подключением Arduino, используется джек на 2.1 мм, к которому припаены контакты. В боксе сделано отверстие, джек посажен на клей. Теперь подключение Arduino не составляет проблем.

Батарейка (крона) на 9 В просто устанавливается на заднюю часть бокса.

Если вы обратили внимание, в боксе есть еще одно отверстие. Это была первая неудачная попытка. Джек в это отверстие не поместился.

Подсоединяем провода ко всем элементам

Очень рекомендую закупить разноцветные проводники типа мама/мама. Стоят они недорого, а процесс сборки облегчают очень сильно. Подключаем проводники к модулю часов реального времени, ПИР датчику движения , зуммеру, чтобы в дальнейшем подключить их к LCD шилду.

Подключаем все к LCD шилду

После этого добавлен кусок кода из скетча от DFRobot для LCD шилда (включая опцию управления кнопками). Этот скетч можно скачать .

Функции кнопок

На LCD шилде кнопки подписаны (смотрите на фото). Первые пять из шести доступных кнопок (button) были запрограммированы следующим образом:

Кнопка #1 (подписана SELECT) - это кнопка Menu. Эта кнопка отвечает за отображение листаемого списка доступных функций (таймер, установка будильника).

Кнопка #2 (подписана LEFT) - кнопка Select. Служит для выбора функции. Примечание: также используется для инкремента на 10 , когда выбраны часы, минуты и т.п.

Кнопки #3 и 4 (подписаны UP и DOWN) - кнопки Increment и Decrement (инкремент и декремент). Используются для уменьшения и увеличения часов и минут при настройке таймера или будильника. Используются также для переключения между временами суток AM и PM.

Кнопка #5 (подписана RIGHT) - GO! Используется для принятия выбранного значения (например, настроенных минут или часов).

Кнопка #6 (отмечена RST) - Reset, которая перезагружает наш Arduino.

Оставляйте Ваши комментарии, вопросы и делитесь личным опытом ниже. В дискуссии часто рождаются новые идеи и проекты!

Во многих проектах Ардуино требуется отслеживать и фиксировать время наступления тех или иных событий. Модуль часов реального времени, оснащенный дополнительной батарей, позволяет хранить текущую дату, не завися от наличия питания на самом устройстве. В этой статье мы поговорим о наиболее часто встречающихся модулях RTC DS1307, DS1302, DS3231, которые можно использовать с платой Arduino.

Модуль часов представляет собой небольшую плату, содержащей, как правило, одну из микросхем DS1307, DS1302, DS3231.Кроме этого, на плате практически можно найти механизм установки батарейки питания. Такие платы часто применяется для учета времени, даты, дня недели и других хронометрических параметров. Модули работают от автономного питания – батареек, аккумуляторов, и продолжают проводить отсчет, даже если на Ардуино отключилось питание. Наиболее распространенными моделями часов являются DS1302, DS1307, DS3231. Они основаны на подключаемом к Arduino модуле RTC (часы реального времени).

Часы ведут отсчет в единицах, которые удобны обычному человеку – минуты, часы, дни недели и другие, в отличие от обычных счетчиков и тактовых генераторов, которые считывают «тики». В Ардуино имеется специальная функция millis(), которая также может считывать различные временные интервалы. Но основным недостатком этой функции является сбрасывание в ноль при включении таймера. С ее помощью можно считать только время, установить дату или день недели невозможно. Для решения этой проблемы и используются модули часов реального времени.

Электронная схема включает в себя микросхему, источник питания, кварцевый резонатор и резисторы. Кварцевый резонатор работает на частоте 32768 Гц, которая является удобной для обычного двоичного счетчика. В схеме DS3231 имеется встроенный кварц и термостабилизация, которые позволяют получить значения высокой точности.

Сравнение популярных модулей RTC DS1302, DS1307, DS3231

В этой таблице мы привели список наиболее популярных модулей и их основные характеристики.

Название	Частота	Точность	Поддерживаемые протоколы
DS1307	1 Гц, 4.096 кГц, 8.192 кГц, 32.768 кГц	Зависит от кварца – обычно значение достигает 2,5 секунды в сутки, добиться точности выше 1 секунды в сутки невозможно. Также точность зависит от температуры.	I2C
DS1302	32.768 кГц	5 секунд в сутки	I2C, SPI
DS3231	Два выхода – первый на 32.768 кГц, второй – программируемый от 1 Гц до 8.192 кГц	±2 ppm при температурах от 0С до 40С. ±3,5 ppm при температурах от -40С до 85С. Точность измерения температуры – ±3С	I2C

Модуль DS1307

DS1307 – это модуль, который используется для отсчета времени. Он собран на основе микросхемы DS1307ZN, питание поступает от литиевой батарейки для реализации автономной работы в течение длительного промежутка времени. Батарея на плате крепится на обратной стороне. На модуле имеется микросхема AT24C32 – это энергонезависимая память EEPROM на 32 Кбайт. Обе микросхемы связаны между собой шиной I2C. DS1307 обладает низким энергопотреблением и содержит часы и календарь по 2100 год.

Модуль обладает следующими параметрами:

• Питание – 5В;
• Диапазон рабочих температур от -40С до 85С;
• 56 байт памяти;
• Литиевая батарейка LIR2032;
• Реализует 12-ти и 24-х часовые режимы;
• Поддержка интерфейса I2C.

Модуль оправдано использовать в случаях, когда данные считываются довольно редко, с интервалом в неделю и более. Это позволяет экономить на питании, так как при бесперебойном использовании придется больше тратить напряжения, даже при наличии батарейки. Наличие памяти позволяет регистрировать различные параметры (например, измерение температуры) и считывать полученную информацию из модуля.

Взаимодействие с другими устройствами и обмен с ними информацией производится с помощью интерфейса I2C с контактов SCL и SDA. В схеме установлены резисторы, которые позволяют обеспечивать необходимый уровень сигнала. Также на плате имеется специальное место для крепления датчика температуры DS18B20.Контакты распределены в 2 группы, шаг 2,54 мм. В первой группе контактов находятся следующие выводы:

• DS – вывод для датчика DS18B20;
• SCL – линия тактирования;
• SDA – линия данных;
• VCC – 5В;

Во второй группе контактов находятся:

• SQ – 1 МГц;
• BAT – вход для литиевой батареи.

Для подключения к плате Ардуино нужны сама плата (в данном случае рассматривается Arduino Uno), модуль часов реального времени RTC DS1307, провода и USB кабель.

Чтобы подключить контроллер к Ардуино, используются 4 пина – VCC, земля, SCL, SDA.. VCC с часов подключается к 5В на Ардуино, земля с часов – к земле с Ардуино, SDA – А4, SCL – А5.

Для начала работы с модулем часов нужно установить библиотеки DS1307RTC, TimeLib и Wire. Можно использовать для работы и RTCLib.

Проверка RTC модуля

При запуске первого кода программа будет считывать данные с модуля раз в секунду. Сначала можно посмотреть, как поведет себя программа, если достать из модуля батарейку и заменить на другую, пока плата Ардуино не присоединена к компьютеру. Нужно подождать несколько секунд и вытащить батарею, в итоге часы перезагрузятся. Затем нужно выбрать пример в меню Examples→RTClib→ds1307. Важно правильно поставить скорость передачи на 57600 bps.

При открытии окна серийного монитора должны появиться следующие строки:

Будет показывать время 0:0:0. Это связано с тем, что в часах пропадает питание, и отсчет времени прекратится. По этой причине нельзя вытаскивать батарею во время работы модуля.

Чтобы провести настройку времени на модуле, нужно в скетче найти строку

RTC.adjust(DateTime(__DATE__, __TIME__));

В этой строке будут находиться данные с компьютера, которые используются ля прошивки модуля часов реального времени. Для корректной работы нужно сначала проверить правильность даты и времени на компьютере, и только потом начинать прошивать модуль часов. После настройки в мониторе отобразятся следующие данные:

Настройка произведена корректно и дополнительно перенастраивать часы реального времени не придется.

Считывание времени. Как только модуль настроен, можно отправлять запросы на получение времени. Для этого используется функция now(), возвращающая объект DateTime, который содержит информацию о времени и дате. Существует ряд библиотек, которые используются для считывания времени. Например, RTC.year() и RTC.hour() – они отдельно получают информацию о годе и часе. При работе с ними может возникнуть проблема: например, запрос на вывод времени будет сделан в 1:19:59. Прежде чем показать время 1:20:00, часы выведут время 1:19:00, то есть, по сути, будет потеряна одна минута. Поэтому эти библиотеки целесообразно использовать в случаях, когда считывание происходит нечасто – раз в несколько дней. Существуют и другие функции для вызова времени, но если нужно уменьшить или избежать погрешностей, лучше использовать now() и из нее уже вытаскивать необходимые показания.

Пример проекта с i2C модулем часов и дисплеем

Проект представляет собой обычные часы, на индикатор будет выведено точное время, а двоеточие между цифрами будет мигать с интервалом раз в одну секунду. Для реализации проекта потребуются плата Arduino Uno, цифровой индикатор, часы реального времени (в данном случае вышеописанный модуль ds1307), шилд для подключения (в данном случае используется Troyka Shield), батарейка для часов и провода.

В проекте используется простой четырехразрядный индикатор на микросхеме TM1637. Устройство обладает двухпроводным интерфейсом и обеспечивает 8 уровней яркости монитора. Используется только для показа времени в формате часы:минуты. Индикатор прост в использовании и легко подключается. Его выгодно применять для проектов, когда не требуется поминутная или почасовая проверка данных. Для получения более полной информации о времени и дате используются жидкокристаллические мониторы.

Модуль часов подключается к контактам SCL/SDA, которые относятся к шине I2C. Также нужно подключить землю и питание. К Ардуино подключается так же, как описан выше: SDA – A4, SCL – A5, земля с модуля к земле с Ардуино, VCC -5V.

Индикатор подключается просто – выводы с него CLK и DIO подключаются к любым цифровым пинам на плате.

Скетч. Для написания кода используется функция setup, которая позволяет инициализировать часы и индикатор, записать время компиляции. Вывод времени на экран будет выполнен с помощью loop.

#include #include "TM1637.h" #include "DS1307.h" //нужно включить все необходимые библиотеки для работы с часами и дисплеем. char compileTime = __TIME__; //время компиляции. #define DISPLAY_CLK_PIN 10 #define DISPLAY_DIO_PIN 11 //номера с выходов Ардуино, к которым присоединяется экран; void setup() { display.set(); display.init(); //подключение и настройка экрана. clock.begin(); //включение часов. byte hour = getInt(compileTime, 0); byte minute = getInt(compileTime, 2); byte second = getInt(compileTime, 4); //получение времени. clock.fillByHMS(hour, minute, second); //подготовка для записывания в модуль времени. clock.setTime(); //происходит запись полученной информации во внутреннюю память, начало считывания времени. } void loop() { int8_t timeDisp; //отображение на каждом из четырех разрядов. clock.getTime();//запрос на получение времени. timeDisp = clock.hour / 10; timeDisp = clock.hour % 10; timeDisp = clock.minute / 10; timeDisp = clock.minute % 10; //различные операции для получения десятков, единиц часов, минут и так далее. display.display(timeDisp); //вывод времени на индикатор display.point(clock.second % 2 ? POINT_ON: POINT_OFF);//включение и выключение двоеточия через секунду. } char getInt(const char* string, int startIndex) { return int(string - "0") * 10 + int(string) - "0"; //действия для корректной записи времени в двухзначное целое число. В ином случае на экране будет отображена просто пара символов. }

После этого скетч нужно загрузить и на мониторе будет показано время.

Программу можно немного модернизировать. При отключении питания выше написанный скетч приведет к тому, что после включения на дисплее будет указано время, которое было установлено при компиляции. В функции setup каждый раз будет рассчитываться время, которое прошло с 00:00:00 до начала компиляции. Этот хэш будет сравниваться с тем, что хранятся в EEPROM, которые сохраняются при отключении питания.

Для записи и чтения времени в энергонезависимую память или из нее нужно добавить функции EEPROMWriteInt и EEPROMReadInt. Они нужны для проверки совпадения/несовпадения хэша с хэшем, записанным в EEPROM.

Можно усовершенствовать проект. Если использовать жидкокристаллический монитор, можно сделать проект, который будет отображать дату и время на экране. Подключение всех элементов показано на рисунке.

В результате в коде нужно будет указать новую библиотеку (для жидкокристаллических экранов это LiquidCrystal), и добавить в функцию loop() строки для получения даты.

Алгоритм работы следующий:

• Подключение всех компонентов;
• Проверка – на экране монитора должны меняться ежесекундно время и дата. Если на экране указано неправильное время, нужно добавить в скетч функцию RTC.write (tmElements_t tm). Проблемы с неправильно указанным временем связаны с тем, что модуль часов сбрасывает дату и время на 00:00:00 01/01/2000 при выключении.
• Функция write позволяет получить дату и время с компьютера, после чего на экране будут указаны верные параметры.

Заключение

Модули часов используются во многих проектах. Они нужны для систем регистрации данных, при создании таймеров и управляющих устройств, которые работают по заданному расписанию, в бытовых приборах. С помощью широко распространенных и дешевых модулей вы можете создать такие проекты как будильник или регистратор данных с сенсоров, записывая информацию на SD-карту или показывая время на экране дисплея. В этой статье мы рассмотрели типичные сценарии использования и варианты подключения наиболее популярных видов модулей.