Digitaluhr, aber ohne Mikrocontroller [Hardcore Electronics] - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Es ist ziemlich einfach, Schaltungen mit einem Mikrocontroller zu bauen, aber wir vergessen völlig die Tonnen an Arbeit, die ein Mikrocontroller durchlaufen musste, um eine einfache Aufgabe zu erledigen (sogar zum Blinken einer LED). Wie schwer wäre es also, eine Digitaluhr komplett neu zu bauen? Keine Codierung und kein Mikrocontroller und um es richtig HARDCORE zu machen, wie wäre es, die Schaltung in einem Perf-Board zu bauen, ohne irgendwelche Leiterplatten zu verwenden.

Dies ist wirklich ein herausforderndes Projekt, nicht wegen der Funktionsweise der Taktlogik, sondern wegen der Art und Weise, wie wir die Schaltung mit all diesen Komponenten zusammen in einem kompakten Perf-Board aufbauen werden.

Dieses Projekt wurde von diesem instructable (Autor: hp07) im Jahr 2018 inspiriert, das aufgrund der Anzahl der Verbindungen und der verwendeten Komponenten wahnsinnig schwer in ein Perf-Board zu bauen wäre. Also habe ich ein bisschen online gegraben, um die Komplexität zu reduzieren, aber es trotzdem ziemlich einfach und schwierig zu machen, ein Perf-Board zu bauen.

Andere Referenzen: scopionz, danyk

Lieferungen

Dies ist die Liste der Produkte, die Ihnen helfen können, dieses Projekt mit Leichtigkeit durchzuführen

(Affiliate-Link)

• IC 4026:
• IC 555:
• IC 7411:
• 7-Segment-Anzeige:
• Potentiometer:
• Widerstands-Kit:
• Diode:
• Kondensatoren-Kit:
• Taster:
• Perfboard:
• Acrylglasplatte:
• Netzteil:
• Tischnetzteil:
• Oszilloskop-Kit:
• Digitaluhr-Kit: https://amzn.to/3l5ymja /

Schritt 1: Zeitkonzept [aber für NOOBS]

Zuerst müssen wir die Antwort auf einige Fragen verstehen, bevor wir mit dem Bau dieser Digitaluhr beginnen können! Wie behalten wir die Zeit im Auge und wie können wir die Zeit selbst definieren?

Die Lösung für dieses Problem ist ziemlich einfach (wenn Sie sich selbst als rebellischen Teenager betrachten und einfach so tun, als hätten sich Physiker über ein Jahrhundert nie den Kopf darüber zerkratzt). Die Art und Weise, wie wir an diese Lösung herangehen, mag kontraintuitiv sein, da wir zuerst sehen, wie wir die Zeit im Auge behalten und später die Zeit definieren können.

Betrachten Sie die Uhr als einen Zähler, der Zahlen bis 0-60 und 0-24 zählen kann (vorerst nur um die 24-Stunden-Uhr kümmern), wenn dieser Wert überschritten wird, übertragen Sie ihn einfach auf die nächsthöhere Bezeichnung [Sekunden -> Minuten -> Stunden -> Tage -> Monate -> Jahre].

Aber wir verpassen hier einen wichtigen Punkt: Wann sollten wir diesen Zählerwert erhöhen? Werfen wir einen Blick in die einfache physikalische Definition

Die zweite wird definiert, indem der feste numerische Wert der Cäsiumfrequenz ∆ν, der ungestörten Hyperfeinübergangsfrequenz des Cäsium-133-Atoms in den Grundzustand, als 9 192 631 770 ausgedrückt wird, ausgedrückt in der Einheit Hz, die gleich s. ist −1.“

Wenn Sie die Definition verstanden haben, sollten Sie wahrscheinlich theoretische Physik nehmen und die Elektronik aufgeben!

Wie auch immer, der Einfachheit halber nehmen wir einfach an, dass es die Zeit ist, die ein Cäsiumatom benötigt, um 9 Milliarden Mal zu schwingen. Wenn Sie nun den Zähler jede Sekunde inkrementieren oder die Zeit benötigt, bis ein Cäsiumatom 9 Milliarden Mal vibriert, haben Sie eine Art Uhr-Sache! Wenn wir nur eine Logik hinzufügen könnten, die Sekunden auf Minuten und Minuten auf Stunden überträgt, wenn sie 60 erreichen (und die Stunden auf 24 zurückgesetzt werden). Dies wird uns eine voll funktionsfähige Uhr geben, die wir erwarten.

Sehen wir uns nun an, wie wir die Theorie mit etwas Magie reiner Elektronik in die Realität umsetzen können!

Schritt 2: Sieben-Segment-Anzeige

Lassen Sie uns zuerst herausfinden, wie die Zahl (oder Zeit) angezeigt wird. Die 7-Segment-Anzeigen sollten perfekt für diesen Build sein, weil sie einen Retro-Look verleihen, und es ist auch eine der einfachsten Anzeigen, die auf dem Markt erhältlich sind LED, wurde eingezählt) geschickt platziert, um alphanumerische Werte anzuzeigen, die bei mehreren 7-Segment-Anzeigen nebeneinander platziert werden können, um einen größeren Wert anzuzeigen.

Es gibt 2 Varianten dieser 7-Segment-Anzeigen.

GEMEINSAME KATHODE: Alle -ve-Klemmen der LED sind mit einem gemeinsamen Punkt verbunden, und dann wird dieser gemeinsame Punkt mit Masse (GND) verbunden. Um nun einen beliebigen Teil des Segments einzuschalten, wird eine +ve-Spannung an den entsprechenden +ve-Pin dieses Segments angelegt.

KATHODENANODE: Alle +ve-Klemmen der LED sind mit einem gemeinsamen Punkt verbunden, und dann wird dieser gemeinsame Punkt mit dem VCC verbunden. Um nun einen beliebigen Teil des Segments einzuschalten, wird eine -ve-Spannung an den entsprechenden -ve-Pin dieses Segments angelegt.

Für unsere Anwendung verwenden wir die Common-Kathoden-Version der 7-Segment-Anzeige, da der von uns verwendete digitale IC ein HIGH-Signal (+ve-Signal) ausgibt.

Jedes Segment dieses Displays ist im Uhrzeigersinn von A bis G benannt und der Punkt (oder Punkt) auf dem Display ist mit 'p' gekennzeichnet. Denken Sie an die Segmente mit ihren entsprechenden Alphabeten, die beim Anschließen an das digitale IC´s.

Schritt 3: Platzierung der Sieben-Segment-Anzeige

Dieser Schritt wird etwas knifflig sein, da es ziemlich schwierig ist, die genaue Größe des Perfboards zu finden und Sie möglicherweise keines finden. In diesem Fall können Sie 2 Perf-Boards zu einem größeren kombinieren.

Das Platzieren der 7-Segment-Anzeige ist recht einfach. Platzieren Sie die Anzeige einfach mit dem richtigen Abstand, damit Sie die Sekunden, Minuten und Stunden unterscheiden können (siehe Abbildung für die Platzierung der LED).

Wenn Sie inzwischen bemerkt haben, dass ich für jeden Pin des Displays eine Reihe von 100-Ohm-Widerständen verwende, ist dies ausschließlich der Ästhetik halber und es ist nicht notwendig, diese vielen Widerstände zu verwenden. Wenn Sie einen 470-Ohm-Widerstand zwischen dem gemeinsamen Pin der 7-Segment-Anzeige und der Masse platzieren können, sollte das gut genug sein. (Diese Widerstände werden verwendet, um den Strom zu begrenzen, der durch die LED fließt)

Da diese Schaltung viel zu löten hat und um nicht den Überblick zu verlieren, habe ich die 7-Segment-Anzeigestifte in alphabetischer Reihenfolge an die Widerstände und die Masse an die Oberseite der Schaltung gelötet. Es scheint nutzlos und kompliziert zu sein, aber glauben Sie mir, das wird Ihre Arbeit viel einfacher machen.

Beim Aufbau dieser Schaltung habe ich einen coolen Trick über die 7-Segment-Anzeige gefunden. Wenn Sie die 7-Segment-Anzeige versehentlich auf den Kopf gestellt haben, müssen Sie die Anzeige nicht vollständig entlöten und erneut anlöten. Jeder Pin bleibt mit Ausnahme von Pin G und Pin P gleich. Durch einfaches Hinzufügen eines Überbrückungskabels können Sie das Problem beheben. (Überprüfen Sie die letzten 2 Bilder, in denen ich ein grünes Überbrückungskabel verwendet habe, um dieses Problem zu demonstrieren).

Schritt 4: Zähler

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Bei digitalen Schaltungen gibt es nur 2 Zustände HIGH oder LOW (Binär: 0 oder 1). Dies können wir mit einem Schalter in Verbindung bringen. Wenn der Schalter eingeschaltet ist, können wir sagen, dass es sich um ein logisches HIGH handelt, und wenn der Schalter ausgeschaltet ist, können wir sagen, dass es sich um ein logisches LOW handelt. Wenn Sie den Schalter mit einem konsistenten Timing zwischen EIN und AUS ein- und ausschalten können, können Sie ein Rechtecksignal erzeugen.

Jetzt wird die Zeit, die benötigt wird, um sowohl hohe als auch niedrige Signale zusammen zu erzeugen, Zeitperiode genannt. Wenn Sie den Schalter 0,5 Sekunden lang EIN- und 0,5 Sekunden lang AUSSCHALTEN können, beträgt die Zeitdauer dieses Signals 1 Sekunde. In ähnlicher Weise wird die Häufigkeit, mit der sich der Schalter in einer Sekunde ein- und ausschaltet, als Frequenz bezeichnet.

[Beispiel: 4Hz -> 4 mal einschalten und 4 mal ausschalten]

Dies mag auf den ersten Blick nicht sehr nützlich erscheinen, aber dieses Timing des Signals ist sehr notwendig, um in digitalen Schaltungen alles synchron zu halten. Aus diesem Grund werden einige digitale Schaltungen mit Taktsignalen auch als synchrone Schaltungen bezeichnet.

Wenn wir eine Rechteckwelle von 1 Hz erzeugen können, können wir unseren Zähler jede Sekunde erhöhen, genau wie Sekunden auf der Digitaluhr. Das Konzept hier ist immer noch ziemlich vage, weil wir die Zeit brauchen, die ein Cäsiumatom braucht, um 9 Milliarden Mal zu schwingen (wie wir in Schritt 1 gesehen haben), denn das gibt uns eine Sekunde. Diese Art von Präzision mit unserer Schaltung ist fast unmöglich, aber wir können es besser machen, wenn wir ein Oszilloskop verwenden können (wo die Zeit vorkalibriert ist), um eine Annäherung von einer Sekunde zu erzielen.

Schritt 7: Auswählen einer Taktschaltung

Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, einen Taktgeber zu bauen. Aber hier sind ein paar Gründe, warum ich den 555-Timer-IC verwendet habe und ein paar Gründe, warum Sie es nicht tun sollten.

Vorteil

• Die Schaltung ist sehr einfach (Anfängerfreundlich)
• Benötigt eine sehr kleine Stellfläche
• einfache Einstellung der Taktfrequenz
• Kann einen weiten Spannungsbereich haben (nicht erforderlich für unsere digitale Taktschaltung)

Nachteil

• Die Uhrzeit ist nicht präzise
• Das Taktsignal kann durch Temperatur/Feuchtigkeit stark beeinflusst werden
• Das Takt-Timing ist auf Widerstände und Kondensatoren zurückzuführen

Alternativen für Frequenzgenerator oder Taktgenerator: Quarzoszillator, Teilungsfrequenz

Schritt 8: Platzierung des Taktkreises

Platzieren Sie die Uhrenschaltung genau unter dem Sekundenteil der Digitaluhr, dies erleichtert die Verbindung zwischen IC 4026 und IC 555.

Zu diesem Zeitpunkt war es völlig nutzlos, nach jeder Schaltung Bilder zu machen, da die Schaltungen sehr kompliziert werden und viele Drähte in verschiedene Richtungen herumlaufen. Bauen Sie also einfach die Taktschaltung separat auf, ohne sich um den Rest der Schaltung zu kümmern, und verbinden Sie danach einfach den Ausgang (Pin 3) des 555-Timer-ICs mit dem Taktpin von IC 4026.

Schritt 9: Schalt-/Inkrementierungslogik

Zweiter im Remix-Wettbewerb