Часы-сувенир на одном газоразрядном индикаторе ИН-14 со стрелочной индикацией секунд

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: схемы на PIC

Опубликовано: 09.06.2017 11:50

Просмотров: 5293

Дмитрий Карелов, г. Кривой Рог
В статье рассмотрена простая конструкция часов на одном газоразрядном индикаторе типа ИН-14, с индикатором секунд в виде стрелочного микроамперметра. Время отображается последовательно, цифра за цифрой, яркость которых плавно нарастает и спадает. Программа микроконтроллера позволяет вносить коррекцию хода часов и включать декоративную светодиодную подсветку индикатора.

Описание подобных часов было опубликовано в [1], схемотехника которых незначительно отличается от описанных ранее, а вот программное обеспечение подверглось серьезным изменениям. Благодаря введению ШИМ-управления яркостью свечения отображаемой цифры, индикация времени визуально стала более приятной. В связи с тем, что подобные часы несут декоративную функцию и обычно выполняются в стиле стимпанк, то для обогащения их ретро-приборами в конструкцию был добавлен стрелочный микроамперметр, выполняющий функцию индикатора секунд.
Принципиальная электрическая схема часов показана на рис.1.
Особенности схемы часов
Основой часов является программируемый микроконтроллер (МК) DD1 типа PIC16F690, тактируемый частотой 4 МГц от кварцевого резонатора ZQ1. Коммутация катодов газоразрядного индикатора EL1 производится с помощью высоковольтных ключевых транзисторов VT3-VT13, включенных по схеме с общей базой.
В соответствии с паспортными данными для зажигания знаков газоразрядного индикатора типа ИН-14 рекомендуется использовать высокое напряжение постоянного тока не менее 200 В. Реально, для уверенного зажигания знака достаточно 165 В.
Для его формирования используется простой DC/DC преобразователь, организованный на элементах VD4, VT2, VT1, L1, VD1, С5. Сигнал управления преобразователем частотой порядка 20 кГц поступает с вывода 5 МК от встроенного в него автономного генератора импульсов с программно управляемой частотой и скважностью (ШИМ-генератора).
В связи с тем, что преобразователь запускается только на время горения знака индикатора, то нет необходимости стабилизировать его выходное напряжение. Достаточно подобрать частоту и скважность импульсов ШИМ-генератора таким образом, чтобы во время горения знака оно находилось в пределах 165...200 В, а анодный ток, ограничиваемый резистором R8, не превышал 2 мА.
Для поддержания хода часов при кратковременном отключении основного питания в схеме предусмотрен резервный источник питания GB1 напряжением 3 В. Основное и резервное питание МК развязано диодами VD2, VD3. Наличие основного питания контролируется МК по шине dU (вывод 4 DD1). При его пропадании МК переводит все выводы в высокоимпедансное состояние и выключает ШИМ. Ток потребления от резервного источника не превышает 500 мкА.
Программно управляемый светодиодный индикатор HL1 служит как для декоративной подсветки колбы газоразрядного индикатора, так и для индикации входа в режим установки времени.
Стрелочный индикатор секунд РА1 управляется с помощью программно организованного ШИМ-генератора непосредственно с вывода 19 МК. Сигнал Vsec поступает на делитель R5, R6 и через токоограничивающий резистор R7 подается на микроамперметр РА1. Конденсатор С6 служит для сглаживания хода стрелки по шкале и исключения биения ее об упор при возвращении на ноль.
Особенности работы программного обеспечения
Отсчет времени, ШИМ-управление яркостью свечения знака индикатора и положением стрелки индикатора секунд организовано с помощью прерываний по переполнению таймера Т0, период которого составляет 250 мкс.
Каждые 8 мс зажигается необходимый знак индикатора. По следующему прерыванию Т0 производится сравнение значения счетчика 8 мс (соответствующее времени горения знака) со значением, заданным в регистре CT_PWM и определяющем текущую скважность импульсов генератора. Если они равны, то знак гасится и остается погашенным до переполнения счетчика 8 мс. При этом значение в регистре CT_PWM увеличивается на 1, если яркость должна нарастать или уменьшается на 1, если яркость должна спадать. По переполнению счетчика 8 мс цикл повторяется.
Так как при счете до 8 мс подсчитывается 32 периода Т0, то регистр CT_PWM может принимать значения от 1 (минимальная яркость) до 32.
Таким образом, время нарастания яркости символа до максимальной составляет: 31 • 8мс = 248мс. Затем зажженный символ остается гореть на время, заданное в регистре k_lit_on (240 мс). После этого яркость символа начинает спадать, следуя алгоритму, аналогичному нарастанию.
Отсюда следует, что цикл отображения текущего времени, состоящего из четырех знаков: десятков часов, единиц часов, десятков минут и единиц минут длится около 3 секунд. Затем выдерживается интервал приблизительно 1 секунда и цикл отображения времени повторяется. Период индикации времени задан жестко и составляет ровно 4 секунды.
Аналогичным образом организована работа ШИМ-генератора, формирующего сигнал управления амплитудой отклонения микроамперметра-индикатора секунд. Для обеспечения необходимой разрядности ШИМ используется счетчик на 16 мс, полный период счета которого равен 64 периодам Т0, а в качестве регистра, определяющего скважность импульсов, выступает непосредственно счетчик секунд.
Порядок работы с часами
Для управления работой часов служит всего одна кнопка (SB1).
Управление декоративной подсветкой индикатора производится коротким нажатием кнопки во время секундной паузы между периодами индикации времени. С каждым нажатием подсветка включается или выключается.
Установка времени производится последовательно (поразрядно), начиная от единиц минут и заканчивая десятками минут. Для входа в режим установки времени следует нажать и удерживать кнопкуSВ1 более 1 секунды. Когда светодиод подсветки начнет мерцать (с частотой 15 Гц), а на индикаторе будет постоянно гореть значение единиц минут, кнопку следует отпустить. С каждым коротким нажатием кнопки значение единиц минут будет увеличиваться на 1 по кругу от 0 до 9.
Для перехода к установке следующего по очереди разряда времени (в данном случае, десятков минут) следует снова нажать и удерживать кнопку более 1 секунды и т.д. Для большей наглядности, во время установки разрядов «часов», светодиод подсветки будет мигать с частотой 1 Гц.
Выход из режима установки времени производится автоматически, если кнопка не нажималась в течение 6 секунд.
В часах предусмотрена коррекция времени от -9 до +9 секунд в сутки. Коррекция времени производится в 00:00 часов. Для изменения коэффициента коррекции времени в часы должен быть установлен резервный источник питания. Для входа в режим установки коррекции времени следует отключить основное питание часов, нажать кнопку и, удерживая ее, подать питание на часы. Светодиод подсветки начнет мерцать, а на индикаторе будет отображено текущее значение коррекции времени. Кратковременно нажимая кнопку, значение коррекции будет циклически
изменяться от 0 до +9, а затем от -1 до -9. Отрицательная коррекция обозначается десятичной точкой индикатора. По выходу из режима установки значение коррекции времени записывается в энергонезависимую память, поэтому после замены резервного источника питания ее не придется восстанавливать.
Конструкция и детали
Внешний вид часов показан на фото в начале статьи.
Они собраны на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита размером 40 х 65 мм. Печатная плата вместе с расположением элементов показаны на рис.2.

В отличие от предыдущей конструкции из [1], газоразрядный индикатор вынесен с платы и подключается к ней с помощью гибкого кабеля длиной 20 см и SIP-разъема.
Микроамперметр и кнопка управления также подключаются к плате через разъемы гибкими проводниками. На плате имеется 2 перемычки, одну из которых, а также резистор R4 следует запаять до установки панельки МК.
В схеме использованы элементы для поверхностного монтажа: резисторы типоразмера 1206, резистор R2 и конденсаторы С2-С4 типоразмера 0805; транзисторы VT2-VT14 типоразмера SOT-23. Резисторы R4, R8, R9 и все остальные компоненты - выводные. Подстроечный резистор R6 -многооборотный типа 3296W. Кварцевый резонатор ZQ1 - низкопрофильный типа HC-49S.
В схеме могут быть использованы любые доступные компоненты с параметрами указанными в схеме. Например, в позиции VD2, VD3 можно использовать любые маломощные диоды с малым прямым падением напряжения.
В качестве транзистора VT1 типа IRF840 можно использовать IRF740 или более современные высоковольтные полевые транзисторы с изолированным затвором. На плату транзистор монтируется «лежа», со стороны печатных проводников. Индуктивность L1 типоразмера 1209 также монтируется «лежа». Номинал индуктивности L1 можно увеличить до 1 мГн с соответствующей программной перестройкой параметров ШИМ. Емкость высоковольтного конденсатора С5 можно значительно уменьшить вплоть до использования пленочного конденсатора емкостью 0.1 мкФ.
Светодиод HL1 следует использовать ультраяркий, широкоугольный (типа «соломенная шляпа»). Его следует разместить в центре между выводами газоразрядного индикатора, вплотную к нему, и закрепить термоклеем.
Для подключения напряжения питания 5 В на плате установлен клеммник типа KF301.
Резистор R10 служит для предотвращение открывания транзистора VT1 в случае подачи питания в схему без установленного МК. В нормальном рабочем режиме он не выполняет никакой полезной функции, поэтому его можно не устанавливать. То же следует сказать и о резисторе R9, который предназначен для ограничения тока через десятичную точку. Практика показала, что вместо него можно просто установить перемычку.
Наладка часов
Собранные из исправных компонентов часы начинают работать сразу.
В первую очередь необходимо проверить и отрегулировать выходное напряжение высоковольтного преобразователя и анодный ток индикатора. Для контроля высокого напряжения следует пользоваться цифровым вольтметром с входным сопротивлением не менее 10 МОм. Подключив вольтметр к выходу преобразователя, например, к выводам конденсатора С5, следует включить часы и, удерживая кнопку, перейти в режим установки времени. В этом режиме имеется 6 секунд постоянной работы преобразователя (после каждого кратковременного нажатия кнопки) для измерения тока. Если напряжение ниже 165 или выше 200 В придется изменять параметры ШИМ. Также следует проконтролировать анодный ток индикатора, включив в разрыв цепи резистора R8 миллиамперметр. Ток должен быть в пределах 1.5...2 мА. Для обеспечения этого условия при указанном на схеме номинале резистора R8 напряжение преобразователя должно находиться в пределах 170... 185 В.
Для изменения параметров ШИМ-генератора следует изменить значение константы «C_PWM_hi», определяющей скважность импульсов, в файле заголовков 1in14_Vclock.h и перекомпилировать программу в MPLAB. Для расчета констант, задающих параметры ШИМ-генератора, удобно использовать прилагаемую электронную таблицу. Так, для уменьшения выходного напряжения следует уменьшить значение «Duty Cycle», уменьшая значение «C_PWM_hi», и наоборот. При этом значение «C_PWM_hi» не должно превышать указанное максимальное значение. Если в результате экспериментов выяснилось, что по каким-то причинам, возможно из-за параметров дросселя L1, не удается поднять напряжение преобразователя до необходимого значения, следует уменьшить частоту ШИМ, изменяя константу «C_PR2».
Архив с чертежом печатной платы в формате SprintLayout 6.0, исходным текстом программы, заголовочным файлом, файлом прошивки и файлом электронной таблицы для расчетов СКАЧАТЬ.
Ссылки
1. Карелов Д. Часы-сувенир на одном газоразрядном индикаторе ИН-12Б // Радиоаматор. -2016. -№7-8. -С.46.
РА 4 '2017