Elektronik-Projekt: Analog/Digitale Wanduhr (Version 1)


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Fertige Wanduhr (im Betrieb)

3. Schaltungsbeschreibung

Die gesamte Schaltung lässt sich grob in vier Bereiche unterteilen:

Die Schaltpläne zu diesem Projekt befinden sich im Download-Bereich auf dieser Seite.

Mikrocontroller:
Der Mikrocontroller (IC1) zählt zu den wichtigsten Komponenten in diesem Projekt. Für diese Aufgabe wurde der Typ PIC16F84 der Fa. Microchip ausgewählt. Dieser verfügt über eine für dieses Projekt ausreichende Anzahl an I/O-Pins, über ausreichend Programmspeicher, Datenspeicher und auch über einen nichtflüchtigen Speicher. Unter einem nichtflüchtigen Speicher versteht man einen Speicher, welcher seine Werte beim Ausschalten des Gerätes beibehält. Diese Speicherart wird hauptsächlich für Geräteinstellungen verwendet. Der größte Vorteil an diesem Mikrocontroller ist aber, dass er einen Flash-Programmspeicher besitzt und daher fast beliebig oft einfach neu programmiert werden kann.

Eigenschaften des Mikrocontroller PIC16F84:

Weitere Eigenschaften des PIC16F84:

Für die Wanduhr wird jedoch nur ein Teil dieser Eigenschaften benötigt.

Grundbeschaltung des Mikrocontrollers: Beschaltung des Mikrocontroller

Als Takterzeugung wird eine Standardapplikation bestehend aus einem Quarz (X1), zwei Keramikkondensatoren (C3, C4) und einem Widerstand (R14) verwendet. Bei X1 handelt es sich um einen 4,096 MHz-Quarz. Dieser recht "ungewöhnliche" Wert ist notwendig, damit mit dem Controller eine genaue Uhr realisiert werden kann, welche auch ohne DCF-Synchronisierung oder bei einem gestörten DCF-Empfang eine genaue Zeit erzeugt.

Zur Erzeugung des Reset wurde ebenfalls eine einfache Standardlösung bestehend aus einem Widerstand (R13) und einem Elektrolyt-Kondensator (C2) gewählt.

Der Kondensator C1 dient zur Entkoppelung der Betriebsspannung für den Mikrocontroller. Für diesen Koppelkondensator sollte ein Keramiktyp verwendet werden. Dieser muss möglichst nahe an diesen IC angebracht werden.

Wanduhrspezifische Beschaltung:
Das DCF-Empfangsmodul ist mit einer zusätzlichen Anpass-Schaltung am Portpin RA0 angeschlossen. Die restlichen 4 Pins des Port A sind für mögliche Erweiterungen vorgesehen.
Der gesamte Port B dient zur Ansteuerung der Leuchtdioden, also des Ziffernblatts.

Anpass-Schaltung für das DCF-Empfangsmodul:

DCF-Empfangsmodul

Eine weitere wichtige Komponente zur DCF-Dekodierung ist ein bei Conrad erhältliches DCF-Empfangsmodul (Bestell-Nr.: 641138). Dieses Modul enthält eine Empfangsantenne und einen Demodulator, so dass am Ausgang des Moduls das übertragene Zeittelegramm mit einem Mikrocontroller ausgewertet werden kann.


Anpasschaltung

Der Ausgangsstrom von nur einem Milliampere ist für die Kontroll-LED (D157) zuwenig. Die nach geschaltete Transistorstufe (T1) mit den Widerständen R15 und R17 gleicht diesen Nachteil aus. Der Widerstand R16 dient als Vorwiderstand für die Leuchtdiode (D157). Diese Leuchtdiode signalisiert den empfangenen Datenstrom, wenn der Jumper JP1 gesteckt ist. Bei einem korrekten Empfang blinkt diese Leuchtdiode im Sekundentakt. Dieses Blinken zeigt sozusagen den Ausgangspegel der Anpass-Schaltung an. Das Puls-Pausen-Verhältnis (Leuchtzeit/Dunkelzeit der Leuchtdiode D157) entspricht der im Abschnitt 2 genannten Zeiten. Bei etwas Übung kann der Unterschied zwischen Low (100ms Absenkung des Trägers, LED ist 100ms dunkel) und High (200ms Absenkung des Trägers, LED ist 200ms dunkel) optisch erkannt werden. Dieser Jumper sollte allerdings nicht dauerhaft gesteckt werden, da dadurch die Spannungsquelle (z.B. ein Steckernetzteil) unnötig belastet wird.

Ansteuerung der Leuchtdiodenmatrix (Ziffernblatt): Ansteuerung der Leuchtdiodenmatrix

Für die Ansteuerung des aus insgesamt 144 Leuchtdioden bestehenden Ziffernblatts dienen zwei 1-aus-16-Dekoder (IC2 und IC3). IC2 dient dabei zur Auswahl der Stunde, und mit IC3 wird die Minute ausgewählt.
Für die 1-aus-16-Dekoder wird der Type 4067 verwendet, wobei bei beiden nur die Ausgänge 1 bis 12 verwendet werden. Während der Synchronisierung wird auf den Ausgang 0 (Pin 9) geschaltet, so dass keine Leuchtdiode leuchtet. Nur bei der gültigen Uhrzeit leuchtet die durch diese beiden Dekoder ausgewählte Leuchtdiode.
Die Funktion der 1-aus-16-Dekoders ist sehr einfach. Der binäre Wert der 4 Eingänge S0 bis S3 bestimmt, welcher Ausgang X0 bis X15 mit dem Eingang Z (Pin 1) verbunden wird. Demnach schaltet IC3 den Widerstand R19 und das Pluspotential an den entsprechend ausgewählten Ausgang, während IC2 den Widerstand R18 und das Massepotential an den ausgewählten Ausgang legt. Als Folge wird eine der 144 Leuchtdioden über den "Vorwiderstand" R19 auf Betriebsspannung gelegt und erhält auch gleichzeitig über einen weiteren "Vorwiderstand" (R18) ein Massepotential und leuchtet, während die anderen Leuchtdioden dunkel bleiben.

Eine Besonderheit bilden die Leuchtdioden, die eine volle Stunde anzeigen (D1, D13, D25, D37 usw.). Diese 12 Leuchtdioden leuchten ständig (aber nur sehr schwach). Da sie mit ihren Kathoden über die relativ hohen Widerstände R1 bis R12 (10k) mit Masse und über R20 mit der Betriebsspannung verbunden sind. Zur vollen Stunde (Ausgang X1, Pin 8 von IC3 ist aktiv) wird R19 parallel zu R20 gelegt und R18 parallel zu einem der Widerstände R1 bis R12. Die Folge ist, dass die so ausgewählte Leuchtdiode stärker leuchtet als die anderen, die eine volle Stunde anzeigen. Mit diesem Schaltungstrick ist eine bessere Orientierung auf dem Ziffernblatt speziell in der Nacht möglich, da man sich an die schwach leuchtenden vollen Stunde orientieren kann.

Die beiden Kondensatoren C6 und C7 dienen zur Entkoppelung der Betriebsspannung für IC2 und IC3. Für diese Koppelkondensatoren sollten Keramiktypen verwendet werden. Diese sollten möglichst nahe an diese ICs angebracht werden.

Leuchtdiodenmatrix

Stromversorgung:

Stromversorgung

Zur Stromversorgung gibt es nicht viel zu sagen. Festspannungsregler (IC4) vom Typ 7805 übernimmt mit den Kondensatoren C8 und C9 die Spannungsregelung. Als Spannungsquelle dient beispielsweise ein unstabilisiertes 9-V-Steckernetzteil.
Bei gestecktem Jumper JP2 dient die Leuchtdiode D158 als Spannungskontrolle. Dieser Jumper sollte allerdings nicht dauerhaft gesteckt werden, da dadurch die Spannungsquelle unnötig zusätzlich belastet wird.
Die Diode D159 dient hier als Verpolungsschutz.

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Autor: Buchgeher Stefan
Erstellt: 30. Januar 2004
Letzte Änderung: 10. Oktober 2004