ساعة Arduino الرقمية متزامنة مع خط الطاقة 60 هرتز: 8 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:39

تتم مزامنة هذه الساعة الرقمية القائمة على Arduino بواسطة خط طاقة 60 هرتز. يحتوي على شاشة عرض أنود مشتركة بسيطة وغير مكلفة مكونة من 4 أرقام 7 والتي تعرض الساعات والدقائق. يستخدم كاشفًا متقاطعًا لاكتشاف متى تعبر الموجة الجيبية الواردة 60 هرتز نقطة الجهد الصفري وتشتق موجة مربعة 60 هرتز.

على مدى فترات زمنية قصيرة ، قد يختلف تردد الموجة الجيبية الواردة من خط الطاقة بشكل طفيف جدًا بسبب الحمل ، ولكن على مدى فترات زمنية طويلة ، يصل متوسطها إلى 60 هرتز بدقة شديدة. يمكننا الاستفادة من هذا لاشتقاق مصدر توقيت لمزامنة ساعتنا.

الخطوة 1: مخطط الدائرة

يوجد إصداران من الدائرة اعتمادًا على ما إذا كنت تريد استخدام محول بنقرة مركزية أو محول بدونه ، وفي كلتا الحالتين تكون عملية الدائرة متطابقة تقريبًا. بالنسبة لهذا التصميم ، استخدمت محول حائط (بدون صنبور مركزي) ينتج عنه تيار متردد بجهد 12 فولت. سأستخدم هذا التصميم (الرسم التخطيطي لدائرة الساعة الرقمية 1) لوصف الدائرة. لاحظ أنه من المهم استخدام محول الحائط الذي يخرج 12 فولت تيار متردد وليس 12 فولت تيار مستمر حتى نتمكن من الاستفادة من موجة جيبية التيار المتردد للتوقيت. ربما يمكنك أيضًا استخدام محول ينتج 9 فولت تيار متردد ، وإزالة R19 وتشغيله أيضًا ، ولكن 12 فولت متاح بشكل شائع. هكذا تعمل الدائرة:

يتم تحويل 120V AC عند 60Hz إلى 12V AC بواسطة المحول TR1. يتم تغذيتها إلى الصمام الثنائي D4 وتصحيحها بحيث يتم تغذية الجهد الكهربي + الخامس فقط ، ويتم تنعيمه إلى تيار مستمر تقريبًا مع تموج ، بواسطة المكثف C3. يتم تغذية الجهد على C3 إلى منظم الجهد 7805 (U6) عبر المقاوم R19. يستخدم R19 لتقليل الجهد على C3 والذي تم قياسه في حالتي عند 15VDC تقريبًا. يمكن تنظيم ذلك بواسطة 7805 ولكن مع هذا المستوى من الإدخال ، يجب أن ينخفض 7805 تقريبًا 10VDC ونتيجة لذلك يصبح الجو حارًا جدًا. باستخدام R19 لخفض الجهد إلى حوالي 10VDC ، فإننا نمنع U6 من التسخين أكثر من اللازم. لذا فهذه ليست تقنية تحويل طاقة فعالة ، لكنها تعمل من أجل أغراضنا. ملاحظة: استخدم المقاوم 1 / 2W على الأقل أو أكثر هنا. ترسم الدائرة حوالي 55 مللي أمبير ، لذا فإن تبديد الطاقة في R19 يبلغ حوالي 1/3 واط بناءً على P = I ** 2 * R أو P = 55ma × 55ma × 120 أوم = 0.363 واط. ينتج U6 التالي 5V DC النقي مع C4 و C5 على الخرج لتصفية أي ضوضاء على خط الطاقة 5V. يعمل هذا الجهد 5V DC على تشغيل جميع الدوائر المتكاملة الموجودة على اللوحة.

من TR1 ، نأخذ أيضًا عينة من إشارة التيار المتردد غير المفلترة ونغذيها في مقياس الجهد RV1 الذي يستخدم لضبط المستوى المغذي للكاشف المتقاطع. يشكل R18 و R17 مقسمًا للجهد لتقليل مستوى جهد التيار المتردد القادم. تذكر أن هذا يأتي عند 12 فولت تيار متردد ونحتاج إلى تقليله إلى أقل من 5 فولت حتى يعمل مع كاشف التقاطع الذي هو فقط مدعوم من 5VDC. توفر R15 و R16 الحد الحالي بينما تهدف D1 و D2 إلى منع زيادة سرعة op-amp U5. في التكوين الموضح ، سيتناوب خرج U5 على الطرف 1 بين + 5V و 0V في كل مرة تتغير فيها الموجة الجيبية الواردة من الموجبة إلى السلبية. هذا يولد موجة 60 هرتز مربعة يتم تغذيتها بالميكروكونترولر ، U4. يستخدم البرنامج الذي تم تحميله على U4 هذه الموجة المربعة 60 هرتز لزيادة الساعة كل دقيقة وساعة. سيتم مناقشة كيفية القيام بذلك في القسم الخاص بالبرنامج وفي تعليقات البرنامج.

U7 يتم استخدام سجل الإزاحة 74HC595 لأن لدينا عددًا محدودًا من المسامير الرقمية على المعالج الدقيق ، لذلك يتم استخدامه لتوسيع عدد المخرجات. نستخدم 4 دبابيس رقمية على المعالج الدقيق ولكن يمكننا التحكم في 7 أجزاء على الشاشة عبر 74HC595. يتم تحقيق ذلك عن طريق تحويل أنماط البتات المحددة مسبقًا ، المخزنة في وحدة التحكم الدقيقة ، والتي تمثل كل رقم يتم عرضه ، في سجل الإزاحة.

العرض المستخدم هنا عبارة عن أنود شائع ، لذلك نحتاج إلى عكس مستويات الإشارة الصادرة من 74HC595 لتشغيل مقطع. عندما يجب تشغيل مقطع ما ، ستكون الإشارة الصادرة من دبوس الإخراج 74HC595 عند +5 فولت ، لكننا نحتاج إلى أن يكون الدبوس الذي يتم تغذيته على الشاشة عند 0 فولت من أجل تشغيل مقطع العرض هذا. للقيام بذلك ، نحتاج إلى محولات سداسية عشرية U2 و U3. لسوء الحظ ، يمكن لعكس IC واحد التعامل مع 6 انقلابات فقط ، لذلك نحتاج إلى اثنين منهم على الرغم من أننا في الثانية نستخدم واحدة فقط من البوابات الستة. مضيعة للأسف. قد تسأل لماذا لا تستخدم عرض نوع الكاثود الشائع هنا وتزيل U2 و U3؟ حسنًا ، الإجابة هي أنه يمكنك ذلك ، لقد كان لدي نوع مشترك من الأنود في إمداد أجزائي. إذا كان لديك أو تريد استخدام شاشة عرض من نوع الكاثود المشترك ، فقم فقط بإزالة U2 و U3 وأعد توصيل Q1 - Q4 بحيث يتم توصيل مجمعات الترانزستور بدبابيس العرض وتوصيل بواعث الترانزستور بالأرض. Q1 - Q4 يتحكم في أي من الشاشات الأربعة المكونة من 7 مقاطع نشطة. يتم التحكم في ذلك بواسطة متحكم دقيق ، عبر المسامير المتصلة بقاعدة الترانزستورات Q1 - Q4.

سيتم استخدام زري الزيادة والتعيين لضبط وقت الساعة الصحيح يدويًا عندما يتعلق الأمر باستخدام الساعة فعليًا. عند الضغط على الزر "تعيين" مرة واحدة ، يمكن استخدام الزر "زيادة" للتنقل عبر الساعات المعروضة على الشاشة. عند الضغط على الزر "تعيين" مرة أخرى ، يمكن استخدام زر الزيادة للتنقل خلال الدقائق المعروضة على الشاشة. عند الضغط على الزر "تعيين" للمرة الثالثة ، يتم ضبط الوقت. R13 و R14 يسحبان دبابيس الميكروكونترولر المرتبطة بهذه الأزرار منخفضة عندما لا تكون قيد الاستخدام.

لاحظ أننا هنا قمنا بإزالة U4 (Atmega328p) من لوحة النموذج الأولي النموذجية لـ Arduino UNO ووضعناها على لوحة النموذج الأولي مع بقية دائرتنا. للقيام بذلك ، يجب علينا على الأقل توفير الكريستال X1 والمكثفات C1 و C2 لتوفير مصدر ساعة للميكروكونترولر ، وربط دبوس 1 ، ودبوس إعادة الضبط ، مرتفع ، ويوفر طاقة 5VDC.

الخطوة 2: لوحة الدوائر الخاصة بك

بغض النظر عما إذا كنت تقوم ببناء الدائرة تمامًا كما هو موضح في الرسم التخطيطي للدائرة أو ربما تستخدم محولًا مختلفًا أو نوع شاشة عرض أو مكونات أخرى مختلفة قليلاً ، يجب أن تقوم بتدوير الدائرة أولاً لضمان عملها وفهم كيفية عملها.

في الصور ، يمكنك أن ترى أن وضع اللوح كله يتطلب لوحين بالإضافة إلى لوحة Arduino Uno. لذلك من أجل برمجة المتحكم الدقيق أو التجربة أو إجراء تغييرات على البرنامج ، ستحتاج مبدئيًا إلى وحدة التحكم الدقيقة IC على لوحة UNO حتى تتمكن من توصيل كبل USB به وجهاز الكمبيوتر الخاص بك لتحميل البرنامج أو إجراء تغييرات على البرنامج.

بمجرد تشغيل الساعة على اللوح وبرمجة وحدة التحكم الدقيقة الخاصة بك ، يمكنك فصلها وتوصيلها بالمقبس في الساعة الدائمة للبناء النهائي على لوحة النموذج الأولي. تأكد من اتباع الاحتياطات المضادة للكهرباء الساكنة عند القيام بذلك. استخدم رباط معصم مضاد للكهرباء الساكنة أثناء التعامل مع المعالج الدقيق.

الخطوة 3: بناء الدائرة على لوح الحماية

تم إنشاء الدائرة على قطعة من لوحة النموذج الأولي ونقطة سلكية للإشارة باستخدام سلك التفاف الأسلاك رقم 30 AWG. يوفر نتيجة قوية وموثوقة. نظرًا لأن المحول الذي أملكه يحتوي على قابس ذكر 5 مم في نهاية الكبل ، فقد قمت بتركيب الوعاء الأنثوي المقابل على الجزء الخلفي من اللوحة عن طريق قطع وثني وحفر قطعة من شريط الألمنيوم المسطح العريض 1/2 بوصة لعمل تخصيص قوس ثم قم بتثبيته باللوحة باستخدام صواميل ومسامير صغيرة من 4-40. يمكنك فقط قطع الموصل ولحام أسلاك الطاقة المتبقية باللوحة وتوفير حوالي 20 دقيقة من العمل ، لكنني لم أرغب في توصيل المحول بشكل دائم إلى السبورة.

الخطوة 4: إنشاء مقبس للعرض ومنحها أرجل

نظرًا لأن الشاشة تحتوي على 16 دبوسًا ، 8 دبوس على كل جانب ، مع تباعد دبوس أكبر من مقبس IC القياسي ذي 16 سنًا ، نحتاج إلى ضبط حجم المقبس ليناسب الشاشة. يمكنك القيام بذلك ببساطة عن طريق استخدام زوج من قواطع الأسلاك لقص البلاستيك الذي يربط جانبي المقبس ، وفصلهما ولحامهما بشكل منفصل باللوحة مع تباعد يطابق تباعد المسامير على الشاشة. من المفيد القيام بذلك حتى لا تضطر إلى اللحام مباشرة بمسامير الشاشة وتعريض الشاشة للحرارة الزائدة. يمكنك رؤية المقبس الذي قمت به في أعلى اللوحة في الصورة أعلاه.

من أجل جعل الشاشة تقف بشكل صحيح ، قمت بتثبيت اثنين من البراغي مقاس 1 بوصة في الفتحتين السفليتين للزاوية السفلية للوحة النموذج الأولي كما هو موضح في الصور لإنشاء حامل بسيط. كان هذا أمرًا رائعًا ، لذا إذا قمت بذلك ، فيمكنك تريد وضع شيء ثقيل على الجزء الخلفي من البراغي لتثبيته.

الخطوة 5: فحص أسلاك لوحة الدائرة والتحضير للمعايرة

بمجرد توصيل لوحة الدائرة الكهربائية ولكن قبل توصيل الدوائر المتكاملة أو عرضها أو تشغيلها ، فمن المستحسن التحقق من توصيلات اللوحة باستخدام DVM. يمكنك ضبط معظم أجهزة DVM بحيث تصدر صوتًا عندما يكون هناك استمرارية. اضبط DVM في هذا الوضع ، ثم اتبع مخطط دائرتك ، تحقق من أكبر عدد ممكن من توصيلات الدائرة. تحقق من وجود دائرة مفتوحة ، أو قريبة منها ، بين + 5V ونقاط الأرض. تحقق بصريًا من أن جميع المكونات متصلة بالمسامير الصحيحة.

بعد ذلك ، قم بتوصيل المحول الخاص بك بالدائرة وتشغيله. تأكد من أن لديك 5V DC بالضبط على سكة الطاقة 5V مع منظار أو DVM قبل توصيل أي دوائر متكاملة أو شاشة.

قم بتوصيل المقبل فقط في Op-Amp U5 IC استعدادًا للخطوة التالية. هنا سوف نتحقق من أن دائرتنا المتقاطعة تولد موجة مربعة ونضبط مقياس الجهد RV1 للحصول على إشارة 60 هرتز نظيفة.

الخطوة 6: معايرة الدائرة

المعايرة الوحيدة التي يجب القيام بها هي ضبط مقياس الجهد RV1 للمستوى الصحيح للإشارة التي تغذي كاشف التقاطع. هناك طريقتان للقيام بذلك:

1. ضع مجس نطاق على السن 1 من U5 وتأكد من توصيل السلك الأرضي لمجس النطاق بأرض الدائرة. بعد ذلك ، اضبط RV1 حتى تحصل على موجة مربعة نظيفة كما هو موضح في الصورة أعلاه. إذا قمت بضبط RV1 بعيدًا جدًا بطريقة أو أخرى ، فلن يكون لديك موجة مربعة أو موجة مربعة مشوهة. تأكد من أن تردد الموجة المربعة هو 60 هرتز. إذا كان لديك نطاق حديث ، فمن المحتمل أن يخبرك بالتردد. إذا كان لديك نطاق قديم مثلما أفعل ، فتأكد من أن فترة الموجة المربعة تبلغ حوالي 16.66 مللي ثانية أو 1/60 ثانية.

2. باستخدام عداد التردد أو DVM في وضع التردد ، قم بقياس التردد في Pin 1 of U5 واضبط RV1 لـ 60 هرتز بالضبط.

بمجرد الانتهاء من هذه المعايرة ، قم بإيقاف تشغيل الدائرة وتوصيل جميع الدوائر المتكاملة والشاشة لإكمال بناء الدائرة.

الخطوة السابعة: برنامج اردوينو

تم التعليق على البرنامج بالكامل حتى تتمكن من معرفة تفاصيل كل خطوة. نظرًا لتعقيد البرنامج ، من الصعب وصف كل خطوة ، ولكن على مستوى عالٍ جدًا ، هذه هي الطريقة التي يعمل بها:

يستقبل المعالج الدقيق الموجة المربعة 60 هرتز الواردة ويحسب 60 دورة ويزيد عدد الثواني بعد كل 60 دورة. بمجرد أن يصل عدد الثواني إلى 60 ثانية ، أو 3600 دورة ، يتم زيادة عدد الدقائق ويتم إعادة تعيين عدد الثواني إلى الصفر. بمجرد أن يصل عدد الدقائق إلى 60 دقيقة ، يتم زيادة عدد الساعات ويتم إعادة تعيين عدد الدقائق إلى الصفر. يتم إعادة تعيين عدد الساعات إلى 1 بعد 13 ساعة ، لذا فهذه ساعة 12 ساعة. إذا كنت تريد نظام 24 ساعة فقط قم بتغيير البرنامج لإعادة تعيين الساعات إلى الصفر بعد 24 ساعة.

هذا مشروع تجريبي ، لذا حاولت استخدام حلقة Do-while لقمع ارتداد المفتاح على أزرار Set and Increment. يعمل بشكل جيد. عند الضغط على الزر "تعيين" مرة واحدة ، يمكن استخدام الزر "زيادة" للتنقل عبر الساعات المعروضة على الشاشة. عند الضغط على الزر "تعيين" مرة أخرى ، يمكن استخدام زر الزيادة للتنقل خلال الدقائق المعروضة على الشاشة. عند الضغط على الزر "تعيين" للمرة الثالثة ، يتم ضبط الوقت وتبدأ الساعة في العمل.

يتم تخزين أنماط 0 و 1 المستخدمة لعرض كل رقم على شاشات العرض المكونة من 7 أجزاء في المصفوفة التي تسمى Seven_Seg. اعتمادًا على وقت الساعة الحالي ، يتم تغذية هذه الأنماط إلى 74HC595 IC وإرسالها إلى الشاشة. يتم التحكم في أي من الأرقام الأربعة للشاشة التي يتم تشغيلها في أي وقت لتلقي هذه البيانات بواسطة المعالج الدقيق عبر الشاشة Dig 1 ، 2 ، 3 ، 4 دبابيس. عندما يتم تشغيل الدائرة ، يقوم البرنامج أولاً بتشغيل روتين اختبار يسمى Test_Clock والذي يرسل الأرقام الصحيحة لإضاءة كل شاشة مع عدد من 0 إلى 9. لذلك إذا رأيت هذا عند تشغيل الطاقة ، فأنت تعلم أنك قمت ببناء كل شيء بشكل صحيح.

الخطوة 8: قائمة الأجزاء

1 - محول 120 فولت تيار متردد إلى 12 فولت تيار متردد 100 مللي أمبير أو أكثر 1 - لوحة نموذجية تقريبًا 3.5 بوصة × 3.5 بوصة 1 - 4 أرقام 7 شرائح عرض YSD-439K2B-35 أو ما يعادلها (Sparkfun) 2 - أزرار ضغط تثبيت PCB صغيرة لا (أي) 4 - 2N3904 ترانزستورات NPN8 - 330 أوم مقاومات 2 - 74LS04 عاكسات سداسية 1 - 74HC595 متسلسل إلى متوازي 8 بت سجل الإزاحة 1 - LM358 OP-AMP (مقارن) 1 - ATMEGA328P متحكم (Creatron) 4 - 4.7K مقاومات 7 - 10K مقاومات 1N148 أو 2 1N4001 الثنائيات 1 - 120 أوم ، 1/2 واط أو 1 واط المقاوم 1 - مقياس الجهد 10 كيلو بايت بتركيب ثنائي الفينيل متعدد الكلور 1 - 470 فائق التوهج 25 فولت مكثف 1 - 7805 TO220 حزمة منظم الجهد 1 - 10 فائق التوهج 10 فولت مكثف 2 - 0.1 فائق التوهج 10 فولت مكثفات 1 - 16 ميجا هرتز كريستال (Sparkfun) 2 - 22pF مكثفات 1 - مقبس طاقة نسائي (اختياري لملاءمة قابس الذكر إن وجد على محول الحائط الخاص بك) 2-16 دبوس IC مقابس 2 - 14 مقبس IC 1 - 8 مقبس IC 1 - 28 دبوس IC مقبس 2 - 1 "طويلة تقريبًا # 4 أو # 6 مسامير وصواميل مطابقة 2-1 / 4 "مسامير # 4-40 طويلة وصواميل مطابقة 1 - قطعة من شريط الألمنيوم المسطح العريض 1/2" مقصوص حسب الطلب وحفر في الحجم

# 30 AWG سلك لف الأسلاك # 22 AWG wireSolder