Розробка світлодіодного годинника

Зміст

• Вступ
• 1. Техніко-економічне обґрунтування теми дипломного проекту
• 1.1 Розробка світлодіодного годинника
• 1.2 Висновок про доцільність розробки світлодіодного годинника
• 2. Теоретична частина
• 2.1 Годинник
• 2.2 Історія годинника
• 2.3 Годинникові механізми
• 2.4 Класифікація годинника
• 2.6 Водяний годинник
• 2.7 Пісочний годинник
• 2.8 Вогняні годинники
• 2.9 Механічні годинники
• 2.9.1 Ходики
• 2.9.2 Годинники із зозулею
• 2.10 Кварцові годинники
• 2.11 Електронні годинники
• 2.12 Радіогодинник
• 2.13 Цікаві факти
• 2.14 Висновок до теоретичної частини
• 3. Проектна частина
• 3.1 Вибір та обґрунтування схеми пристрою
• 3.1.1 Розробка схеми пристрою
• 3.1.2 Вибір мікроконтролера та огляд його архітектури
• 3.1.3 Вибір додаткових пристроїв
• 3.1.4 Розробка програмного забезпечення
• 3.2 Вибір методів регулювання та вимірювальної апаратури
• 3.3 Основні несправності та методи їх усунення
• 3.3.1 Розробка технологічних карт регулювання
• 3.4 Розробка конструкції
• 3.5 Висновок до практичної частини
• 4. Економічна частина
• 4.1 Розрахунок витрат на розробку світлодіодного годинника підготовки молодших спеціалістів за спеціальністю 5.5 010 201
• 4.1.1 Основна заробітна плата розробників, яка розраховується за формулою (1.1)
• 4.1.2 Розрахунок додаткової заробітної плати працівника
• 4.1.3 Нарахування на соціальні потреби
• 4.1.4 Амортизація персонального комп’ютера
• 4.1.5 Витрати на матеріали, що були використані на розробку програмного продукту — обмежуються вартістю радіотехнічних деталів та програмним продуктом Sprint-Layout 6.0
• 4.1.6 Розрахунок вартості електроенергії
• 4.1.7 Розрахунок інших витрат
• 4.1.8 Розрахунок загальних витрат на розробку програмного забезпечення
• 4.2 Розрахунок експлуатаційних витрат у споживача, пов’язані з використанням нового програмного продукту
• 4.3 Розрахунок обсягу робіт при використанні програмного продукту
• 4.4 Висновок до економічної частини
• 5. Охорона праці
• 5.1 Аналіз умов праці
• 5.2 Організаційно-технічні заходи
• 5.3 Санітарно-гігієнічні заходи
• 5.3.1 Параметри мікроклімату
• 5.3.2 Вентиляція
• 5.3.3 Освітлення
• 5.3.4 Шум і вібрації
• 5.4 Заходи по забезпеченню техніки безпеки
• 5.5 Протипожежні заходи
• 5.6 Організація робочого місця користувача ЕОМ
• Висновки
• Список літератури

Анотація

На сьогодні для побудови годинників використовують мікроконтролери, які дозволяють розширити можливості електронних годинників, виконуючи в них різноманітні доповнення. Мікроконтролер споживає меншу потужність від джерела живлення і має економічний режим енергоспоживання.

Пристрій представляє собою електронний годинник, що при відсутності напруги мережі продовжує працювати від автономного джерела живлення і при цьому не виконує індикацію поточного часу.

В даному годиннику пропонується використати світлодіодні індикатори з тих міркувань, що індикація буде доцільна і при незначному освітленні приміщення де знаходиться електронний годинник.

Схема годинника містить мінімум радіодеталей так, як всі функції годинника виконує мікроконтролер, а периферійні пристрої виконують тільки підсилювальні і виконавчі функції.

До мікроконтролера підключені: клавіатура, індикатор і блок живлення. Блок живлення складається з випрямляча, стабілізатора, діодного ключа і батареї акумуляторів. При відсутності напруги мережі ключ відмикає джерело від електронного годинника і проводить живлення годинника від акумуляторної батареї.

світлодіодний годинник програмне забезпечення

Аннотация

На сегодня для построения часов используют микроконтроллеры, которые позволяют расширить возможности электронных часов, выполняя в них различные дополнения. Микроконтроллер потребляет меньшую мощность от источника питания и имеет экономичный режим энергопотребления.

Устройство представляет собой электронный часы, при отсутствии напряжения сети продолжает работать от автономного источника питания и при этом не выполняет индикацию текущего времени.

В данном часах предлагается использовать светодиодные индикаторы из тех соображений, что индикация будет целесообразна и при незначительном освещении помещения где находится электронные часы.

Схема часов содержит минимум радиодеталей так, как все функции часов выполняет микроконтроллер, а периферийные устройства выполняют только усилительные и исполнительные функции.

К микроконтроллера подключены клавиатура, индикатор и блок питания. Блок питания состоит из выпрямителя, стабилизатора, диодного ключа и батареи аккумуляторов. При отсутствии напряжения ключ отпирает источник от электронных часов и проводит питания часов от аккумуляторной батареи.

Annotation

At present, for building watches using microcontrollers that can extend the capabilities of electronic watches, performing them in a variety of supplements. The microcontroller uses less power from the power supply and has a power saving mode.

The device is a digital watch that in the absence of voltage continues to operate from an independent power source and does not perform an indication of the current time.

In this clock is proposed to use the LED of the reasons that display would be appropriate and with little light room where the electronic clock.

The scheme contains minimum clock radio components as functions of the watch performs all microcontroller and peripheral devices perform only amplifying and executive functions.

By the microcontroller connected: a keyboard, display and power supply. The power supply consists of a rectifier, regulator, diode and battery key battery. In the absence of a key unlocking voltage source of electronic clocks and clock power wire from the battery.

Вступ

У наш час можна з великою впевненістю сказати, що не найдеться ні однієї галузі, сфери діяльності людини, у якій не використовувалася б радіоелектроніка. Виробництво, побут, культура, медицина, навчальні заклади, транспорт — це далеко не всі перераховані сфери діяльності людини, у яких радіоелектроніка займає ключові місця. Людина за останнє сторіччя, а особливо в останні десятки років оточила себе і свою діяльність такою кількістю всіляких радіоприладів і апаратури, що подальше існування без останніх, зробило би колосальну зміну в життєдіяльності, у світогляді людства. З кожним роком людство усе більше і більше удосконалюється в мистецтві винаходу приладів, що полегшують ту або іншу сферу діяльності або зменшують ступінь небезпеки на окремих ділянках робіт. Уся ця армія електронних машин, апаратури, приладів приводиться в дію за допомогою електроенергії.

Появі першого електронного годинника на початку 70-х років передували пошуки оптимальних електронних-механічних конструкцій. Так, на початку 60-х років для підвищення точності ходу анкерний механізм механічного годинника був замінений стабільнішим електронним-механічним джерелом опорних коливань. Основу вузла складав камертон, резонансні коливання якого підтримувалися транзисторним RС-генератором. Перетворення коливань камертона в обертальний рух зубчатих коліс здійснювалося храповим механізмом. По точності ходу (±5секунд на добу) перші серійні зразки камертонних годинника у декілька разів перевершували механічні.

З розвитком мікроелектронної технології виявилося можливим розширити електронну частину годинникового механізму за рахунок мікросхем з малою споживаною потужністю. Піддається зміні структурна схема годинника: джерело опорних коливань стає повністю електронним і будується на основі транзисторів або мікросхем з використанням мініатюрних кварцевих резонаторів з частотою власних коливань порядка десятки кілогерц. Камертон виконує роль двигуна. Для зниження частоти опорних коливань до резонансної частоти камертона вводиться мікросхема лічильника-дільника. У такому годиннику вдалося забезпечити точність ходу ±0,5 з в добу. Проте широкого поширення камертонний годинник не набув із-за щодо швидкого зносу механічних частин.

У подальші роки був розроблений електронний-механічний годинник з мініатюрними кроковими і балансними електродвигунами, які приводилися в рух електричними імпульсами з частотою 1 або 2 Гц.

Елементну базу електронного годинника складають інтегральні мікросхеми, мініатюрні кварцеві резонатори, електронні індикатори. Найбільший вплив на функціональні можливості і основні характеристики годинника надають інтегральні мікросхеми.

У електронному годиннику мікросхеми працюють з низькою частотою перемикання. Наприклад, для дільників в блоці генератора секундних імпульсів найбільшою є частота задаючого генератора (ЗГ), яка при використанні стандартних кварцевих резонаторів типу РК72, РК196, РК101 рівна 32 768 Гц. Функціональні вузли в блоках лічильників і дешифраторів перемикаються з частотою, що не перевищує 1 Гц. Тому основною характеристикою, по якій слід вибирати мікросхеми для електронного годинника, є потужність, споживана ними від джерела напруги живлення в статичному і динамічному режимах.

У складі серіїв К564, К561 є всі мікросхеми, необхідні для побудови функціональних блоків електронного годинника, але вони менш пристосовані для цієї області застосування. Зокрема, в цих серіях відсутні дешифратори — кодопреобразователи з виходами для сигналів управління багатосегментними індикаторами, лічильники, суміщені з такими дешифраторами в одному корпусі, складніші мікросхеми. Не відбиті специфічні для електронного годинника вимоги і в мікросхемах з підвищеною функціональною складністю. Тому використання мікросхем цих серій в електронному годиннику зв’язане із застосуванням порівняльних громіздких варіантів схемотехнік, для реалізації яких потрібне в два-три рази більше число корпусів в порівнянні з аналогами на мікросхемах серії К176.

Мікросхеми серіїв К564, К561 при напрузі джерела живлення 9 В електрично сумісні з мікросхемами серії К176. Деякі мікросхеми цих серіїв взаємозамінні не тільки по виконуваних функціях і електричних характеристиках, але і призначенню зовнішніх виводів.

Для формування імпульсної послідовності з періодом повторення 1 з (секундних імпульсів) в електронному годиннику зазвичай використовують мікросхеми, спеціально призначені для цієї мети: К176ИЕ5, К176ИЕ12, К176ИЕ18. У структурі вказаних мікросхем передбачені ключові елементи (інвертори), що виконують роль підсилювачів-формувачів і в цій якості складові основу ЗГ.

Мікросхеми лічильників серії К176 в більшості розраховані для спільної роботи з семисегментними індикаторами. Тому основна увага приділена розгляду умов і способів сполучення мікросхем К176ИЕЗ, К176ИЕ4 з семисегментними індикаторами різних типів.

У великогабаритному електронному годиннику найбільш широке застосування знаходять катодолюмінісцентні індикатори. Прилади цього типу для своєї роботи в нормальному режимі вимагають напруги на анодах і сітці 20 — 30 В, тому для управління ними потрібно підвищити напругу, яка формується на виходах мікросхем серії К176.

Правда, у ряді випадків виявляється достатньою яскравість свічення знаків при зниженому до 9 В напрузі на електродах індикатора. Тоді індикатор виводами сегментів безпосередньо підключається до виходів мікросхеми лічильника, а сіткою до джерела живлення. Проте для забезпечення нормальної за технічними умовами яскравості свічення потрібне сполучення мікросхеми і індикаторного приладу по рівню напруги.

Все більш широке застосування знаходять індикатори на рідких кристалах. З появою рідинно-кристалічних індикаторів з великими розмірами знаків значно розширилася область їх практичного застосування за рахунок великогабаритного електронного годинника і інших пристроїв відображення інформації. Сприятливі перспективи використання рідинно-кристалічних індикаторів пов’язують з їх низьким енергоспоживанням, зручною конструкцією і невисокою вартістю.

Для більшості індикаторів на рідких кристалах достатньою для управління є напруга 9 В. Тому мікросхеми серії К176 можуть працювати з цими індикаторами без сполучення. Проте слід враховувати, що для збільшення терміну служба індикаторів управління ними повинно проводитися змінною напругою з частотою десятки герц. У типових конструкціях годинника для цієї мети використовується імпульсна послідовність з частотою повторення 64 Гц. У мікросхемах серії К176, зокрема К176ИЕ5 (К176ИЕ12), на основі яких виготовляють генератори секундних (хвилинних) імпульсів, передбачається вихід, на якому при кварцевому резонаторі на частоту 32 768 Гц виходить імпульсна послідовність з частотою 64 Гц. Оскільки це напруга синфазно з напругою на загальному електроді індикатора, то різниця напруги між сегментом а і загальним електродом рівна нулю і рідкокристалічна речовина зберігає свою прозорість, тобто сегмент не видно.

У іншому випадку, коли значення сегментного сигналу а рівне 1, результуючий сигнал на цьому виході А зберігається у вигляді послідовності імпульсів, але з протилежною фазою по відношенню до імпульсів на загальному електроді, оскільки А = V. Таким чином, до сегменту щодо загального електроду прикладається знакозмінна напруга у вигляді імпульсів протифаз, наступних з частотою 64 Гц, що мають амплітуду 8 — 9 В. Цієї напруги досить для переорієнтації молекул речовини і, як наслідок, потемніння сегменту. При використанні більш високовольтних рідинно-кристалічних індикаторів з’являється необхідність в їх сполученні з мікросхемами по напрузі.

Цифрова техніка є областю, що швидко розвивається, в імпульсній техніці. Вона підняла на новий якісний ступінь засоби зв’язку, радіолокацію, викликала появу автоматизованих систем управління підприємствами і цілими галузями народного господарства, комплексів для обробки різних видів інформації.

Особливо широке застосування знайшли цифрові пристрої в електронно-обчислювальній техніці. Зокрема, цифрові обчислювальні машини (ЦОМ) є в даний час найбільш універсальними. Всі вузли ЦОМ містять елементи цифрової техніки, за допомогою яких здійснюється запам’ятовування і зберігання інформації, управління обчислювальним процесом, введення і виведення інформації в ЦОМ. Успіхи в області розробки швидкодіючих елементів цифрової техніки дозволили створити ЦОМ, що виконують десятки мільйонів арифметичних операцій в секунду.

1. Техніко-економічне обґрунтування теми дипломного проекту

1.1 Розробка світлодіодного годинника

Годинники даного типу серійно не випускаються. Особливістю даного годинника є тип індикації поточного часу. Індикація здійснюється за допомогою великої кількості світлодіодів, що робить доцільним використання даного годинника в темну пору доби. Звичайно, даний годинник буде використовуватись як і в темну, так і в світлу пору, але при незначному освітленні або зовсім без нього, годинник буде виступати і в ролі так званого світлодіодного «світильника» .

Світлодіодний годинник при має ряд переваг і звичайно деякі недоліки перед звичайними годинниками. Що відноситься до переваг, то це звісно:

ѕ сама «незвичайність» годинника: індикація відбувається за рахунок 280 світлодіодів;

ѕ незначне освітлення кімнати, в якій знаходиться годинник, в темну пору доби.

Недоліками даного годинника є:

ѕ трудомісткість виготовлення;

ѕ ціна складових.

Якби даний годинник мав місце у серійному виробництві, то його ціна була б значно меншою за рахунок цін на комплектуючі, оскільки світлодіоди в малій кількості мають значну вартість. Також на загальну ціну годинника значно впливає і вартість мікроконтролера. Але дані недоліки є питанням часу. Згодом дані годинники, на мою думку, будуть мати місце у серійному виробництві.

Розглядаючи даний пристрій звичайно неможна обійти таке питання, як значна кількість світлодіодів. Враховуючи їхню вартість, виникає запитання: «Чи є доцільним використання світлодіодів в даному пристрої?»

До переваг світлодіодів можна віднести такі фактори:

ѕ у світлодіоді, на відміну від лампи розжарювання або люмінесцентних ламп, електричний струм перетвориться безпосередньо у світлове випромінювання, і теоретично це можна зробити майже без втрат;

ѕ світлодіод мало нагрівається, щовпливає на довговічність;

ѕ світлодіод випромінює світло у вузькій частині спектру, його колір чистий, а ультрафіолетове та інфрачервоне випромінювання, як правило, відсутні.

ѕ світлодіод механічно міцний і винятково надійний, його термін служби може досягати 100 тисяч годин, що майже в 100 разів більше, ніж у лампи розжарювання, і в 5 — 10 разів більше, ніж у люмінесцентної лампи;

ѕ світлодіод — низьковольтний електроприлад, а отже, безпечний.

Що відноситься до недоліків, то вданий час він тільки один — ціна покупки. Проте фахівці стверджують, що в найближчі 2 — 3 роки вартість світлодіодів буде знижена в кілька разів.

З приведених вище фактів бачимо, що розробка світлодіодного годинника є досить актуальною темою.

1.2 Висновок про доцільність розробки світлодіодного годинника

При проведенні аналізу основних аспектів, пов’язаних з розробкою світлодіодний годинник для користувачів, можна зробити висновок, що розробка такого продукту в наш час не втратила актуальності і є конкурентоспроможною.

Техніко-економічний аналіз та аналіз ринку довів доцільність розробки аналогічного продукту, котрий буде економічно та практично вигідним.

2. Теоретична частина

2.1 Годинник

Годинник — пристрій для вимірювання часу. Більшість сучасних годинників використовують періодичні процеси на зразок автоколивань, історичні годинники на кшталт пісочних або водяних використовували для вимірювання проміжків часу тривалість певного процесу, наприклад пересипання піску з однієї половини в іншу через вузьку щілину.

Виконуючи свою основну функцію, годинники часто є художніми та ювелірними виробами, що мають значну цінність завдяки унікальному дизайну.

2.2 Історія годинника

Годинники, як інструменти для вимірювання проміжків часу, менших за добу, та часу дня, використовувалися здавна. Першими серед них були сонячні годинники, що визначали час за напрямком тіні. Недоліком сонячних годинників було те, що вони працювали тільки за ясної погоди й зовсім не працювали вночі.

Водяні годинники були відомі ще в Стародавньому Єгипті та Межиріччі.

Механічні годинники почали з’являтися в Європі в 14 столітті. Перші з них не мали ані стрілок, ані циферблата, про час доби сповіщав дзвін. Існують і раніші згадки про годинники, наприклад, про годинник, одержаний Карлом Великим у подарунок від Гарун ар-Рашида, однак про будову цих годинників свідчень не збереглося. У 15 — 16 століттях величезні годинники почали встановлювати на майданах великих міст Європи. Точність цих годинників була невисокою, до чверті години. Як джерело енергії в них спочатку використовувалася вода, потім, у сучасніших конструкціях — гирі. Дорогу до цих годинників відкрив винахід штирьового спускового механізму.

Крім утилітарної функції визначення часу доби, годинники епохи Відродження мали важливе значення для астрономії та астрології, завдяки чому вони часто показували не тільки час, а й дату, день тижня, фази Місяця, і, навіть, гороскоп.

Важливою подією в розвитку годинників було відкриття Галілео Галілеєм ізохронності коливань маятника, тобто того факту, що період малих коливань маятника не залежить від амплітуди. Після цього виникла ідея маятникового годинника.

Механічний годинник із годинниковою і хвилинною стрілками винайдено лише в 17 столітті. Перший годинник з маятником винайшов у 17 ст. голландський механік Хрістіан Гюйгенс. Це був найточніший годинник серед усіх інших годинників. Незалежно від Гюйгенса маятниковий годинник побудував Роберт Гук. Анкерний механізм винайшов 1670 року англійський механік Вільям Клемент. У 1675 році Томас Томпіон сконструював ще точніший годинник, у якому маятник він замінив пружиною.

Розвиток годинників стимулювався практичними потребами навігації. Для точного визначення координат корабля на морі були потрібні годинники, що визначали б час не тільки точно, а й в умовах корабельної хитавиці. Такий годиник, що отримав назву хронометра, створив Джон Гаррісон. За цей винахід Гаррісон у 1772 р. одержав премію у 20 тис. фунтів від британського короля.

У 19 ст. з’явився перший електричний годинник, а у 1918 році електрогодинник вже міг працювати на струмі з мережі.

З розвитком електроніки у другій половині 20 ст. електронні годинники почали заміщати механічні. Електронні годинники, які відлічують час із великою точністю, використовують кристали кварцу. Такий принцип ґрунтується на природній вібрації (100 000 коливань за секунду) у кристалах кварцу, а джерелом живлення є батарейка. Сучасні годинники нагадують крихітний комп’ютер. Вони мають будильник і секундомір, а час відображають на електронному дисплеї. Електронні годинники стали складовою частиною ком’ютерів, мобільних телефонів та інших побутових приладів — таймерами оснащені мікрохвильві печі й пральні машини тощо.

Наукові експерименти потребують вимірювання часу ще з більшою точністю, завдяки чому виникли атомні годинники, які використовують коливання електромагнітного поля, створеного випромінюванням атомів при переходах між електронними рівнями. За дуже низьких температур цезієві атомні годинники можуть забезпечити точність вимірювання часу до 10−11 секунди.

2.3 Годинникові механізми

Сучасні годинники, механічні, електронні або атомні, використовують для вимірювання часу періодичні процеси — автоколивання. Принципова будова всіх типів годинників однакова: вони мають у своєму складі коливну систему, контрольний механізм, джерело енергії та індикатор. Контрольний механізм забезпечує надходження енергії від джерела до коливної системи порціями, що компенсують дисипацію енергії в ній. Індикатор служить для того, щоб відображати інформацію про час на циферблаті зі стрілками або електронному дисплеї.

Механічні годинники використовують гармонічні коливання маятника або пружини, компенсуючи втрату енергії на тертя контрольованим надходженням енергії від джерела. Контроль за отриманням енергії здійснюється завдяки анкерному механізму.

Маятниковий годинник має довгий стрижень із вантажем на кінці, який вільно гойдається у обидва боки. Маятник завжди гойдається з постійною швидкістю, завдяки чому маятниковий годинник відлічує час із великою точністю. Джерелом енергії у маятниковому годиннику є гиря, піднята на певну висоту. Вона повільно опускається з кожним поворотом анкера, віддаючи свою енергію маятнику.

У наручних механічних годинниках замість маятника використовуються обертальні коливання балансира, а джерелом енергії служить скручена пружина.

У електронних годинниках використовуються коливання п'єзоелектричного кристалу кварцу, роль контрольного механізму відіграє електронна схема, а джерелом енергії є батарейка.

Найточнішими є атомні годинники, принцип дії яких полягає у вимірюванні частоти випромінювання окремих атомів. Сучасний еталон секунди визначається, як 9 192 631 770 періодів випромінювання атома цезію-133 при переході між двома надтонкими рівнями основного стану, розщепленими у магнітному полі ядра, при сталій довжині хвилі, нульовій температурі й відсутності зовнішнього магнітного поля.

2.4 Класифікація годинника

— По розмірах і портативності:

1) кишеньковий годинник;

2) наручний годинник;

3) каретний годинник;

4) настільний годинник;

5) настінний годинник;

6) годинник, який стоїть на підлозі;

7) баштовий годинник.

— По механізму виміру:

1) сонячний годинник;

2) вогняний годинник;

3) пісочний годинник;

4) водяний годинник;

5) механічний годинник;

6) камертонний годинник;

7) кварцовий годинник;

8) Електричний годинник

9) електронний годинник;

10) астрономічний годинник;

11) атомний годинник.

2.5 Сонячний годинник

Цей годинник оснований на тому, що сонце відкидає тінь від предметів, і його шлях по небу однаковий в однакові дні різного років. Використовуючи розкреслене коло й виправлення на широту місцевості можна оцінити, котра зараз година.

2.6 Водяний годинник

Водяний годинник, який також називається клепсидрою, має принцип дії схожий з пісочним годинником.

Поряд із сонячними годинниками, можливо, є найстаршими приладами для виміру часу, якщо не брати до уваги вертикальний ціпок-гномон по довжині падаючої тіні якого якого орієнтувалися в часі древні скотарі. З огляду на глибоку стародавність водяних годин, де й коли вони вперше з’явилися науці не відомо. Чашеоподібний відтік є найпростішою формою водяного годинника, і, як відомо, існував у Вавилоні та в Єгипті біля XVI століття до нашої ери. В інших регіонах світу, включаючи Індію та Китай, також є древні ознаки існування водяних годинників, але найраніші дати їх появи є менш певними. Деякі автори, однак, пишуть, що водяний годинник був у цих областях уже на початку 4000 р. до н. е.

За древньогрецькою та древньоримською цивілізаціями визнається пріоритет в удосконаленні форми водяних годинників, які одержали складний комплекс зубчастих передач, розрахований на цілодобову роботу [недійсне посилання] і складався з замислуватого механізму. Поліпшення також сприяли підвищенню точності. Ці досягнення були передані через Візантію в ісламський світ, і, в остаточному підсумку, проробили свій шлях назад у Західну Європу. Незалежно від греко-римського світу, китайці розробили свої власні ускладнені водяні годинники (ђ…Џа) в 725 р., передавши свої ідеї Кореї й Японії.

Деякі проекти водяних годинників були розроблені незалежно один від одного, а деякі знання були перенесені за допомогою поширення торгівлі. У суспільствах, що передують сучасному, не було потреби в особливо точних методах з підвищеними вимогами до хронометрування, що подібно існує в сучасному індустріальному суспільстві, де щогодини роботи або відпочинку контролюється, і робота може початися або закінчитися в будь-який час, незалежно від зовнішніх умов. Замість цього, водяні годинники в древніх суспільствах використалися в основному для астрологічних вимірів. Ці ранні водяні годинники були відкалібровані з сонячними годинниками. Ніколи не досягаючи рівня точності сучасних годинників, водяні годинники були найточнішими протягом декількох тисячоріч і широко використовувалися як пристрої хронометражу, поки в Європі в XVII сторіччі не були замінені на більш точні маятникові годинники.

Ісламській цивілізації приписують подальше поліпшення точності водяних годинників, ретельно продуманих інженерно. В 797 (або, можливо, 801 року), багдадський халіф з династії абасидів, Харун ар-рашид, подарував Карлу Великому індійського слона по кличці Абул-Абас разом з «особливо складним зразком» водяного годинника.

В XIII столітті, Аль-Джазари (1136−1206 р.), курдський інженер з Месопотамії, що працював на правителя з династії Артукідів Діяр-Бакра Насір аль-Діна, зробив численні годинники всіх форм і розмірів. У книзі описано 50 механічних пристроїв у шести категоріях, у тому числі водяні годинники. Найвідоміші годинники, включали пристрої «Слон», «Переписувач» й «Замок», які були успішно відновлені.

2.7 Пісочний годинник

Цей годинник побудовано на тому, що точно відкалібрований річковий пісок проходить через вузький отвір, в 1 піщину, в однакові проміжки часу. При цьому люди швидко здогадалися використати 2 порожнини, з'єднані вузьким перешийком з отвором для пересыпания піску. Половинки скляної посудини мали форму чаші й призначалися для виміру невеликих проміжків часу, але мали недолік: після пересипання піску з верхньої порожнини в нижню їх доводилося перевертати.

На флоті пісочий годинник називався склянками.

2.8 Вогняні годинники

Вогняний годинник уперше з’явилися в Китаї. Він складався зі спіралі або палички з горючого матеріалу з підвішеними металевими кульками. При згорянні матеріалу кульки падали в порцелянову вазу, роблячи дзенькіт.

Згодом різновид вогняних годинників з’явилася й у Європі. Тут використовувалися свічки, на які рівномірно наносилися мітки. Відстань між мітками служило одиницею часу.

2.9 Механічні годинники

У всіх механічних годинниках потрібно розрізняти чотири істотних частини:

— двигун (пружина або гиря)

— передавальний механізм зубчастих коліс

— регулятор, що зумовлює рівномірність руху

— розподільник або спуск, з одного боку, що передає від двигуна імпульси регулятору, необхідні для підтримки коливання останнього, і, з іншого боку, що підпорядковує рух передавального механізму, а отже, і дія двигуна закономірності коливання регулятора.

Вимірником часу в прямому розумінні слова служить регулятор. Зубчасті колеса, скріплені з ними стрілки циферблата — лічильники відміряних регулятором одиниць часу. Визнаючи добове обертання землі навколо її осі строго рівномірним, ми в ньому маємо єдиний масштаб для порівняння проміжків або одиниць часу. Звичайно за одиницю часу приймається секунда, 1/86 400 частина доби. Про різний рахунок часу, про зоряну, середню, правдиву добу — див. Час.

Регулятори годинникових механізмів улаштовуються так, щоб відмірювані ними проміжки часу дорівнювали або цілій секунді, або половині, чверті або одній п’ятій секунди. Якщо регулятор почне або відмірювати менші проміжки часу, лічильник укаже більше їхнє число в даному періоді часу. У цьому випадку годинники, як кажуть, ідуть уперед. Якщо ж інтервал регулятора більше заданого — годинники відстають. Умовившись про початковий момент доби, інакше кажучи, про момент, коли лічильник годин повинен показувати нуль минулих одиниць часу, приходимо до поняття про поправку годинника. Вона позитивна, якщо годинник відстав, негативна — якщо пішов вперед. Зміна поправки годинника за певний проміжок часу називається ходом годинника (наприклад, добовий, тижневий, годинний хід). Хід позитивний, якщо годинники відстають, негативний, якщо годинники йдуть уперед. Хід виражає собою саме відхилення відміряних регулятором проміжків часу від прийнятої одиниці. Поправка годинника є величина умовна й, крім того, у будь-який момент простим пересуванням хвилинної стрілки лічильника поправка годинника може бути зроблена менше однієї хвилини.

Достоїнство ж годинника полягає в малості, а головне — у сталості ходу. Хід гарного астрономічного годинник й хронометрів повинен по можливості не залежати від змін температури, тиску, вологості повітря, випадкових поштовхів, стирання осей механізму, згущення масла, що змазує, молекулярних змін у різних частинах механізму й т.д. Астрономічний годинник діляться на два головних типи:

" постійні", у яких рушійною силою служить вага гир, а регулятором коливання маятника

" переносні", де рух виробляється силою пружності пружини, що розгортається поступово, а регулюється коливаннями пружної, тонкої спіралі, з'єднаної з т. зв. балансом (див. нижче).

Годиннникові механізми першого типу називаються в астрономії «годинниками» у прямому розумінні слова або «маятниками». Вони перебувають на обсерваторіях при постійних астрономічних інструментах (див. Практична астрономія), закріплені на кам’яних стовпах або в стіні; часто поміщають годинники в підвалі обсерваторії, щоб охоронити по можливості від змін температури («нормальні» годинники). Підвал відвідують тільки для заведення годинника, тому що навіть теплота тіла може вплинути на його хід. Показання ж годинника, тобто «удари» маятника (завжди секундного), порівнюють із іншими годинниками за допомогою мікрофона, встановленого в підвалі й з'єднаного з телефоном (цей вираз, хоча й загальноприйнятий, але зовсім невірний. Удари «цокання» робить не маятник (регулятор), а механізм спуска). При належній установці й догляду «постійні» астрономічний годинник повинні мати добовий хід не більше 0,3 с, а його добові зміни не повинні перевершувати однієї сотої секунди.

Годинникові механізми другого типу називаються хронометрами. Розрізняють «настольні», або бокси-хронометри (розміри їх приблизно 1Ѕ-2 децим. діаметром, 1 децим, висотою; одне просте коливання балансу триває Ѕ секунди), і кишенькові хронометри (розмір загальновідомий; звичайно так звані чотиридесятники, тобто повне подвійне коливання балансу триває 0,4 секунди, просте коливання — 1/5 секунди). Якість кишенькових хронометрів у середньому відчутно нижче якості настольних. Хронометри служать при визначенні географічних положень місць, при роботах переносними астрономічними інструментами (див. Практична астрономія), при визначенні часу й довготи в морі і т.д. Настольні хронометри на кораблях містяться на приросту Кардана. Постійні годинники («маятники») майже винятково, а хронометри в більшості випадків регулюються на секунди зоряного часу — т. зв. «зоряні» годинники й хронометри. Рідше вживаються «середні» хронометри (тобто які йдуть по середньому часі). Вибір обумовлений зручністю спостережень або їхньої обробки для тих або інших завдань астрономів.

У годинниках і хронометрах астрономами цінуються ще певні, але не різкі й без зайвих шумів удари («цокання»). Як найкращих майстрів астрономічних годинників або хронометрів потрібно назвати Кесельса, Піля, Дента, Тіде, Ховю (Howuh), Кнобліха, Фродшема, Нардена. Творці «вищого» годинникового мистецтва й годинникових механізмів: П'єр Лерой (англ. Pierre Le Roy), Джон Гарісон, Джордж Ґрехем (англ. George Graham), Дютертр, Джон Арнольд (англ. John Arnold), Фердинанд Берту (англ. Ferdinand Berthoud), Юрґенсен.

2.9.1 Ходики

Ходики — невеликі стінні годинники спрощеного устрою з гирями — варіант механічного годинника з маятником, анкерним спуском і гирями як двигун. Як маятник у деяких моделях використовували дві «ноги», що рухаються в протихід один одному. Зустрічається різновид з боєм (ще один ланцюжок зі знімною гирею для бою, яку можна при бажанні зняти з ланцюжка й повісити поруч на спеціальний гачок — так званий «режим без бою»).

2.9.2 Годинники із зозулею

Годинник із зозулею" - настінний годинник у витонченому корпусі, найчастіше механічний годинник (ходики) з боєм, що імітує спів зозулі. Звичайно звукові сигнали (від одного до дванадцяти) лунають щогодини, відраховуючи поточний час і нерідко перемежовуючись ударами гонга («бум — ку-ку»). Механізм, який імітує зозулю, розроблений у середині XVIII століття й з тих пір практично не перетерпів змін. Батьківщиною годинника із зозулею вважається розташоване у центрі регіону Шварцвальд німецьке містечко Триберг, принаймні, саме там розташовано музей годинників із зозулею.

2.10 Кварцові годинники

Різновид електронно-механічних годинників. Принцип дії базується на п'єзоелектричному ефекті, властивості кристалів кварца, наприклад, деформуватися під впливом зовнішнього електричного поля, а також поляризуватися при механічній деформації. При цьому кристал кварцу, маючи маленькі розміри, може в значно більшій мірі стабільно генерувати коливання, що мають високу часову й температурну стабільність. Механізм кварцових годинників складається з елемента живлення, електронного генератора, лічильника дільника й вихідного каскаду підсилювача, навантаженого на котушку синхронного електродвигуна, що через систему зубчастих коліс надає руху стрілкам годинника.

2.11 Електронні годинники

Годинники основані на підрахунку періодів коливань від генератора, що задає, за допомогою електронної схеми й виводі інформації на цифровий дисплей.

Перші електронні годинники виготовлялися на окремих лампах потім транзисторах і мікросхемах.

Перші наручні електронні годинники мали світлодіодний дисплей, але вони могли показувати час дуже недовго: занадто ненажерливими виявлялися світлодіоди. Потім використовували властивості рідких кристалів орієнтуватися в зовнішньому електричному полі й пропускати світло з одним напрямком поляризації. Будучи поміщеним між двома поляризаторами, світло від зовнішнього джерела зовсім поглинався системою поляризатор-рідкий кристал-поляризатор-відбивач при наявності електричного поля ставав темним й утворював елемент зображення. У результаті цього було значно знижене енергоспоживання, і заміна елементів живлення відбувається набагато рідше.

У сучасні електронні годинники убудований, як правило, спеціалізований мікроконтролер, і в годинників з’явилося багато сервісних функцій (будильники, мелодії, календарі й т.д.), але мікроконтролер так само продовжує лічити періоди коливань усе того ж кристала кварцу.

Зауваження: Існують також електронні годинники, побудовані на принципі підрахунку періодів частоти електричної мережі, у багатьох країнах існують дуже жорсткі вимоги до стабільності частоти, але все-таки при коливанні навантаження частота мережі може змінюватися, і точність таких годинників не може вважатися нормальною, хоча для багатьох людей вона є достатньою.

Різновид електронних годинників, які відображають час в двійковому коді, називаються «бінарні годинники» (англ. Binary watch). Для відображення двійкових розрядів звичайно використаються світлодіоди. Число груп світлодіодів може бути різною, вони можуть відрізнятися розмірами й місцем розташування. Частина світлодіодів показує години, інша — хвилини. Можуть бути світлодіоди відповідальні за відлік секунд, дату й т.п.

2.12 Радіогодинник

Електронні або кварцові годинники, які можуть звіряти свій хід по сигналах точного часу віщальних або спеціальних радіостанцій, а також (для одержання особливо точного часу) супутників GPS.

2.13 Цікаві факти

На різних етапах розвитку цивілізації людство використовувало сонячні, зоряні, водяні, вогневі, пісочні, колісні, механічні, електричні, електронні й атомні годинники.

Напрямок руху стрілок годинника «за годинною стрілкою» й «проти годинної стрілки» використається для вказівки напрямку кругового руху.

Традиційний напрямок руху годинної стрілки збігається з напрямком, у якому рухається тінь горизонтальних сонячних годин, розташованих у північній півкулі Землі. Однак, існують годинники, у яких стрілки рухаються «проти годинної стрілки» (як у сонячних настінних).

На циферблатах з римськими цифрами четверту годину іноді позначають як IIII замість IV.

На рекламі стрілочних годинників звичайно близько 10: 10 або 8: 20. Це робиться для того, щоб стрілки не закривали назву. Крім того, час 10: 10 на годинниках у вітрині нагадують посмішку (смайлик), а також нагадує знак перемоги (Victory), що позитивно впливає на лояльність покупця.

Умовний циферблат годинника часто використовується при орієнтуванні на місцевості для вказівки цілі, маршруту або напрямку при взаємодії підрозділів (як правило американської армії) або окремих спостерігачів. 12 година вказує, як правило на фронт, поточний маршрут руху, або поточне положення самого спостерігача або його технічного засобу. Напрямок спостережуваного об'єкта (або маршруту) вказується в напрямку тієї цифри циферблата, кутовому значенню якого він відповідає щодо положення спостерігача, так якби циферблат був горизонтальний, а його центр збігався зі спостерігачем. Так, об'єкт, який знаходиться строго праворуч, буде позначений як «на 3-ю годину». Після вказівки напрямку додається цифра, що характеризує відстань до об'єкта в метрах.

2.14 Висновок до теоретичної частини

Появі першого електронного годинника на початку 70-х років передували пошуки оптимальних електронних-механічних конструкцій. Так, на початку 60-х років для підвищення точності ходу анкерний механізм механічного годинника був замінений стабільнішим електронним-механічним джерелом опорних коливань. З розвитком мікроелектронної технології виявилося можливим розширити електронну частину годинникового механізму за рахунок мікросхем з малою споживаною потужністю. Піддається зміні структурна схема годинника: джерело опорних коливань стає повністю електронним і будується на основі транзисторів або мікросхем з використанням мініатюрних кварцевих резонаторів з частотою власних коливань порядка десятки кілогерц. Камертон виконує роль двигуна.

3. Проектна частина

3.1 Вибір та обґрунтування схеми пристрою

3.1.1 Розробка схеми пристрою

На сьогоднішній день в експлуатації у населення знаходиться велика кількість застарілих, але цілком працездатних електронних годинників виробництва «часів Радянського Союзу». Основним обмеженням і незручністю подібних морально застарілих апаратів є мала функціональність, якими вони оснащені. З метою усунення цього недоліку і була розроблена конструкція багатофункціонального годинника на мікроконтролері.

Пристрій виконаний на недорогому і широко поширеному серед радіоаматорів мікроконтролері PIC16F628A. Багатофункціональний годинник складається з таких основних структурних блоків: блок живлення; мікросхема точного часу; мікроконтролер; блок дешифраторів; буферні підсилювачі; блок індикації.

Рисунок 3.1 — Структурна схема багатофункціонального годинника

Всі основні функції (перемикання чисел, формування широтний-імпульсно-модульованих (ШІМ) сигналів, що керують) здійснює МК типу PIC16F84A.

ШІМ сигнал на виводах RA0-RA7 МК має високу стабільність, обумовлену програмним рішенням формування самого сигналу і застосуванням генератора з стабілізованою кварцом тактової частоти контролера.

Переваги даного мікроконтролера:

? функціонально закінчений блок, який не вимагає відладки;

? має систему переривань;

? апаратний стек;

? незалежну пам’ять даних EEPROM;

? багатий набір периферії, такий як USB, SPI, I? C, USART, LCD, компаратори, АЦП і тому подібне.

Мікроконтролер має невелике енергоспоживання і може програмуватися внутрішньосхемно, без витягання з пристрою.

Відлік часу веде мікросхема DS1307 (DD1) — годинник реального часу з послідовним інтерфейсом I2C. Точність ходу годинника залежить від відповідності номінальному значенню і температурній стабільності частоти 32 768 Гц кварцевого резонатора ZQ1.

Вимір температури в інтервалі від — 55 до +125°C з з дискретністю 0,5°C виконує її цифровий датчик DS18B20 (VD1). Він пов’язаний з мікроконтролером по інтерфейсу 1 — Wire.

Здвиговий регістр з регістром зберігання 74НС595 (DD3) дозволяє організувати сім виходів для управління індикатором, зайнявши всього три виведення портів мікроконтроллера. Формований мікроконтролером послідовний семирозрядний код заноситься в здвиговий регістр цієї мікросхеми, потім значення усіх його розрядів паралельно переносяться в її регістр зберігання, з якого виводяться на виходи 1−7.

Сигнали з виходів мікросхеми DD3 поступають на буферні підсилювачі мікросхеми ULN2003 (DA2) [5], кожен з яких є складеним транзистором, включеним за схемою із загальним емітером і відкритим колектором. Максимальний вихідний струм одного підсилювача — 500 мА, допустима напруга на закритому транзисторі - не більше 50 В.

Сигнали, що поступають на катоди світлодіодів індикаторів з виходів мікросхеми DA2, по черзі включають рядки табло. Інформацію для подачі на аноди світлодіодів кожного рядка мікроконтролер завантажує послідовним кодом в багаторозрядний здвиговий регістр DD4 — DD8.

Кнопкою SB2 «Будильник» перемикають режими роботи — відображення поточного часу або установки часу спрацьовування будильника. Кнопками SB1 «Зменшити» і SB3 «Збільшити» змінюють виведене на індикатор відповідно до вибраного режиму значення часу.

Що подається при спрацьовуванні будильника звуковий сигнал можна припинити натисненням на кнопку SB2. Передбачено повне відключення будильника установкою часу його спрацьовування 0 ч 0 хв. Звуковий сигнал в цей час подаватися не буде.

Коли на індикатор виведений поточний час, блимає двокрапка, що розділяє на нім цифри годинника і хвилин. При установці часу спрацьовування будильника місце двокрапки займає немигаюча точка. Якщо годинник залишити в цьому режимі, не натискаючи ні на які кнопки, то через декілька секунд вони автоматично повернуться до відображення поточного часу.

3.1.2 Вибір мікроконтролера та огляд його архітектури

PIC-мікроконтроллери Гарвардської архітектури, виготовляються американською компанією Microchip Technology Inc. Назва PIC є скороченням від Peripheral Interface Controller, що означає «периферійний інтерфейсний контролер». Назва пояснюється тим, що спочатку PIC призначалися для розширення можливостей введення-виведення 16-бітових мікропроцесорів Cp1600. У номенклатурі Microchip Technology Inc. представлений широкий спектр 8-і, 16-і і 32-бітових мікроконтроллерів і цифрових сигнальних контролерів під маркою PIC. Відмітною особливістю pic-контроллерів є хороша спадкоємність різних сімейств. Це і програмна сумісність (єдине безкоштовне середовище розробки MPLAB IDE, з-компілятори від GCC), і сумісність по виводах, по периферії, по напрузі живлення, по засобах розробки, по бібліотеках і стеках найбільш популярних комунікаційних протоколів. Номенклатура налічує більше 500 різних контролерів зі всілякими варіаціями периферії, пам’яті, кількістю виводів, продуктивністю, діапазонами живлення і температури.

Для побудови годинника вибираємо мікроконтролер PIC16F628A. Розглянемо його архітектуру (рисунок 3.2).

До основних переваг пропонованого схемного рішення можна віднести дешевизну і доступність елементної бази, а застосування в його основі мікроконтролері дозволяє додати високу функціональність і широкі сервісні можливості при простоті схемної реалізації.

Основні характеристики мікроконтролера:

— тактова частота до 20 Мгц;

— пам'ять даних ОЗП 224 байт;

— мінімальна тривалість такту 200 нс;

— 14 бітові команди;

— 8 — бітові дані;

— 15 апаратних регістрів спеціального призначення;

— 8-рівневий апаратний стек прямої, непрямої і відносний режими адресації;

— 1000 циклів запису/стирання FLASH пам’яті програми.

Рисунок 3.2 — Архітектура мікроконтролера PIC16F628A

Архітектура заснована на концепції роздільних шин і областей пам’яті для даних і для команд (Гарвардська архітектура). Шина даних і пам’ять даних (ОЗУ) — мають ширину 8 біт, а програмна шина і програмна пам’ять (ПЗП) мають ширину 14 біт. Така концепція забезпечує просту, але потужну систему команд, розроблену так, що бітові, байтові і регістрові операції працюють з високою швидкістю і з перекриттям за часом вибірок команд і циклів виконання. 14 — бітова ширина програмної пам’яті забезпечує вибірку 14-бітової команди в один цикл. Двоступінчатий конвеєр забезпечує одночасну вибірку і виконання команди. Усі команди виконуються за один цикл, виключаючи команди переходів. У PIC16F628 програмна пам’ять об'ємом 1К х 14 розташована усередині кристала. Виконувана програма може знаходитися тільки у вбудованому ПЗП.

Програмний код, який записаний в кристал, може бути захищений від прочитування за допомогою установки біта захисту (CP) в слові конфігурації в нуль. Вміст програми не може бути прочитаний так, що з ним можна було б працювати. Крім того, при встановленому біті захисту стає неможливим змінювати програму. То-ж відноситься і до вмісту пам’яті даних EEPROM.

Якщо встановлений захист, то біт CP можна стерти тільки разом з вмістом кристала. Спочатку буде стерта EEPROM програмна пам’ять і пам’ять даних і в останню чергу біт захисту коду CP.

Кристал PIC16C628 має чотири слова, розташовані за адресою (2000h-2003h) Вони призначені для зберігання ідентифікаційного коду (ID) користувача, контрольної суми або іншої інформації. Як і слово конфігурації, вони можуть бути прочитані або записані тільки за допомогою програматора. Доступу за програмою до них немає.

Якщо кристал захищений, користувачеві рекомендується використовувати для ідентифікації тільки молодші сім

Якщо кристал захищений, користувачеві рекомендується використовувати для ідентифікації тільки молодші сім біт кожного ID слова, а в старший біт записувати '0'. Тоді ID слова можна буде прочитати навіть в захищеному варіанті.

Вхід в режим SLEEP здійснюється командою SLEEP. По цій команді, якщо WDT дозволений, то він скидається і починає відлік часу, біт «PD» в регістрі статусу (f3) скидається, біт «TO» встановлюється, а вбудований генератор вимикається. Порти введення/виводу зберігають стан, який вони мали до входу в режим SLEEP. Для зниження споживаного струму в цьому режимі, ніжки на вивід повинні мати такі значення, щоб не протікав струм між кристалом і зовнішніми ланцюгами. Ніжки на введення мають бути сполучені зовнішніми резисторами з високим або низьким рівнем, щоб уникнути струмів перемикання, що викликаються плаваючими високоомними входами. Те ж і про RTCC. Ніжка /MCLR має бути під напругою Vihmc.

Область ОЗУ організована як 128×8. До осередків ОЗУ можна адресуватися прямо або побічно, через регістр покажчик FSR (04h).

Це також відноситься і до EEPROM пам’яті даних-констант.

У регістрі статусу (03h) биті вибору сторінок, які дозволяють звертатися до чотирьох сторінок майбутніх модифікацій цього кристала. Проте для PIC16F84 пам’ять даних існує тільки до адреси 02Fh. Перші 12 адрес використовуються для розміщення регістрів спеціального призначення. Регістри з адресами 0Ch-2Fh можуть бути використані, як регістри загального призначення, які є статичним ОЗУ. Деякі регістри спеціального призначення продубльовані на обох сторінках, а некотрые розташовані на сторінці 1 окремо. Коли встановлена сторінка 1, те звернення до адрес 8Ch — AFh фактично адресує сторінку 0. До регістрів можна адресуватися прямо або побічно. У обох випадках можна адресувати до 512 регістрів.

Watchdog таймер є повністю незалежним вбудованим RC генератором, який не вимагає ніяких зовнішніх ланцюгів. Він працюватиме, навіть якщо основний генератор зупинений, як це буває при виконанні команди SLEEP. Таймер виробляє сигнал скидання. Вироблення таких скидань може бути заборонене шляхом запису нуля в спеціальний біт конфігурації WDTE. Цю операцію роблять на етапі програмування мікросхем.

Вхідний тактовий сигнал (виведення OSС1/CLKIN/RA7) внутрішньою схемою мікроконтроллера розділяється на чотири послідовні такти Q1, що не перекриваються, Q2, Q3 і Q4. Внутрішній лічильник команд (РС) збільшується на одиницю в кожному такті Q1, а вибірка команди з пам’яті програм відбувається на кожному такті Q4. Декодування і виконання команди відбувається з такту Q1 по Q4. На малюнку 3−2 показані цикли виконання команд.