Zegarek analogowy oparty na kwarcu generującym częstotliwość 32,768kHz

Dwa lata temu na studiach miałem przedmiot "Konstrukcja urządzeń elektronicznych". W ramach zajęć każdy miał wykonać jakiś prosty elektroniczny projekt z założeniem, że ma nie opierać się na procesorze czy gotowej płytce ewaluacyjnej typu Arduino. Moim własnym pomysłem było stworzenie zegarka, który można postawić na półce - taki typowy zegarek 24-godzinny z wyświetlaczem LEDowym.

1. Założenia projektowe

• Wyświetlanie czasu w formacie 24-godzinnym [GG:MM].
• Możliwość nastawiania godzin i minut oraz resetowania całego zegara.
• Zasilanie 9V z zasilaczem z sieci energetycznej.
• Wydawanie co godzinę dźwięku informacyjnego.
• Kompaktowe wymiary urządzenia - nie większe niż 20x15x5 cm.
• Dobra widoczność cyfr z odległości 3m.

2. Wybór rozwiązania konstrukcyjnego

• Generator częstotliwości wzorcowej: kwarcowy lub RC.
• Wyświetlacz: LCD, LED, lampowy.
• Technologia: TTL, CMOS, Procesor jednoukładowy.
• Zasilanie: bateria lub zasilacz.

Zastosowałem w projekcie kwarcowy generator ze względu na jego większą dokładność generowania częstotliwości. Wyświetlacz LCD został odrzucony z powodu jego słabej widoczności z większej odległości. Wyświetlacz lampowy spowodowałby znaczne zwiększenie wymiarów urządzenia, w związku z tym wybrałem wyświetlacz LED o wysokości cyfr 14.2mm. Eksperymentalnie sprawdziłem widoczność z odległości 3m. Technologia TTL została odrzucona ze względu na większy pobór prądu, a programowanie procesora jednoukładowego nie jest mi jeszcze dobrze znane. Wybrałem technologię CMOS ponieważ elementy są tanie oraz posiadają dużą skalę integracji. Zegar ma za zadanie stać przez długi czas na szafce, więc zasilanie sieciowe jest najbardziej optymalne.

3. Schemat blokowy

4. Obliczenia, zasada działania wybranych elementów

Niestety nie ogarniam jak w tworzeniu posta na Steemicie ładnie napisać wzory, dlatego wrzucę je w formie screenów (przepraszam!). Jeśli ktoś jest w stanie doedukować mnie w tej kwestii to proszę :)

Genertor sygnału akustycznego na wzmacniaczu operacyjnym z mostkiem Wiena:

Generator impulsu o danym czasie trwania na uniwibratorze LM555:

Schematy

Schemat elektroniczny:

Projekt płytki PCB do druku, strona wierzchnia:

Projekt płytki PCB do druku, strona dolna:

Film prezentujący skończone urządzenie

Kilka zdjęć zrobionych w trakcie procesu tworzenia zegarka

Wnioski i spostrzeżenia

Skonstruowany zegar spełnił wszystkie założenia projektowe, jest rozszerzony o funkcję regulowania długości wydawanego dźwięku informacyjnego wraz z możliwością całkowitego wyłączenia go, co ma praktyczne zastosowanie w godzinach nocnych. Jako zasilacz wykorzystałem z recyklingu stary 9V zasilacz do telefonu. Głośnik także wykorzystałem z recyklingu – wymontowałem ze starych uszkodzonych słuchawek. Resztę elementów zakupiłem w sklepie elektronicznym, płytkę PCB wykonała zewnętrzna firma. Przewidywany koszt wykonania projektu wynosił 70zł i został on nieznacznie przekroczony. Płytka dwuwarstwowa ze względu na czas realizacji została wykonana bez metalizacji przelotek oraz otworów, co znacznie utrudniło lutowanie elementów (musiało być czasami wykonane z dwóch stron). W trakcie projektowania płytki umieszczałem przelotki pod układami scalonymi, jako że nie były metalizowane musiałem umieścić tam łącznik co utrudniało montaż układu (układ często „opierał się” na łączniku), dlatego w przyszłości jeżeli także nie będę posiadał metalizowanych otworów będę unikał umieszczania przelotek pod układami. W pierwszej wersji funkcję przekaźnika miał pełnić układ 4053 (analogowy multiplekser/demultiplekser). Przy uruchomieniu okazało się, że ten układ działał niepoprawnie dla naszego sygnału, więc został zamieniony na przekaźnik. Kolejnym elementem, który wymagał poprawy było sterowanie długością wydawanego sygnału akustycznego. Sterowanie układu LM555 wymagało układu różniczkującego.

Od wykonania tego projektu minął już grubo ponad rok. Jeżeli chodzi o wnioski z perspektywy czasu, to generujący układ kwarcowy jest raczej kiepski. Po około tygodniu zegarek spieszy się o prawie 10min, więc jak można się łatwo domyślić jest to uciążliwe. Jednym z wyjść jest kupienie kilku kwarców (koszt to około 2zł, więc co za problem) i przetestowanie - na pewno któryś będzie dokładniejszy. Drugą, bardziej zaawansowaną możliwością poprawy dokładności jest zastosowanie zewnętrznego układu, który pobiera czas z zegara atomowego gdzieśtam z Niemiec. Gdzieś nawet namierzyłem taki dosyć tani. Byłoby to o tyle nie takie trudne, że zamiast "ustawiania" mojego zegarka przez ten układ po prostu resetowałbym mój zegar codziennie, gdy przyszedłby sygnał z atomowego zegara, że wybiła północ. Resetowanie w moim zegarku działa tak, że ustawia się 00:00, a synchronizacja dokładności raz na 24 godziny byłaby w zupełności wystarczająca do poprawy dokładności zegarka.

Wszystkie informacje, które znalazły się w tym wpisie są także dostępne w PDF. Cały opis po angielsku, oraz więcej zdjęć możecie znaleźć tutaj.

Wszystkie zamieszczone zdjęcia są moje, nie kopiuj ich proszę.