Elektronik-Projekt: Analog/Digitale Wanduhr (Version 2)


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Fertige Wanduhr (im Betrieb)

3. Schaltungsbeschreibung

Die gesamte Schaltung lässt sich grob in fünf 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. 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 (C2, C3) und einem Widerstand (R3) 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 (R1) und einem Elektrolyt-Kondensator (C1) gewählt.

Der Kondensator C4 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.

Eine Besonderheit stellt der Portpin RA4 dar. Im Gegensatz zu den anderen Portpins besitzt dieser einen so genannten Open-Drain-Ausgang. Wird dieser Portpin, so wie hier bei der Wanduhr, als Ausgang verewendet, so ist ein Pull-Up-Widerstand (R2) notwendig

Wanduhrspezifische Beschaltung:
Das DCF-Empfangsmodul ist mit einer zusätzlichen Anpasschaltung am Portpin RA0 angeschlossen. Die restlichen 4 Pins des Port A dienen der Stundenanzeige, während die Minuten-/Sekundenanzeige über den Port B (RB0 bis RB5) angesteuert werden. Die beiden übrig bleibenden Portpins RB6 und RB7 sind für mögliche Erweiterungen vorgesehen.

Anpasschaltung 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 enthällt 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 (D73) zuwenig. Die nachgeschaltete Transistorstufe (T1) mit den Widerständen R4 und R6 gleicht diesen Nachteil aus. Der Widerstand R5 dient als Vorwiderstand für die Leuchtdiode (D73). 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 Anpasschaltung an. Das Puls-Pausen-Verhältnis (Leuchtzeit/Dunkelzeit der Leuchtdiode D73) 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.
Der Kondensator C5 dient zur Entkoppelung der Betriebsspannung für das DCF-Modul. Für diesen Koppelkondensator sollte ein Keramiktyp verwendet werden. Dieser muss möglichst nahe am DCF-Modul angebracht werden.

Stundenanzeige:

Stundenanzeige

Für die Anzeige der aktuellen Stunde dienen 12 Low-current Leuchtdioden (D61-D72). Diese 12 Leuchtdioden besitzen je einen relativ hochohmigen Vorwiderstand (R7 bis R18). Diese Vorwiderstände bewirken dass diese 12 LEDs sehr schwach leuchten, was vor allem in der Nacht die Orientierung wesentlich vereinfacht. Die aktuelle Stunde soll aber stärker leuchten, so dass man die aktuelle Stunde gut ablesen kann. Zu diesem Zweck dient ein einfacher 1-aus-16-Dekoder (IC2). Hier wird der Typ 4067 verwendet, wobei nur die Ausgänge 1 bis 12 verwendet werden. Während der Synchronisierung wird auf den Ausgang 0 (Pin 9) geschaltet, so dass keine der 12 Leuchtdioden leuchtet. Nur bei der gültigen Uhrzeit leuchtet die entsprechende Leuchtdiode. Die Funktion des 1-aus-16-Dekoders (IC2) 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. Als Folge wird der Widerstand R19 dem, an diesem Ausgang angeschlossenen Vorwiderstand (R7 bis R18) parallelgeschaltet. Die dazugehörige Leuchtdiode leuchtet dadurch stärker, da sich nun der Vorwiderstand aus einer Parallelschaltung zwischen dem 33-k-Vorwiderstand und R19 (1k) bildet. Bekanntlich ergibt sich daraus ein Wert, der in etwa R19 (1k) entspricht. Der Kondensator C6 dient zur Entkoppelung der Betriebsspannung für IC2. Für diesen Koppelkondensator sollte ein Keramiktyp verwendet werden. Dieser sollte möglichst nahe an IC2 angebracht werden

Minuten-/Sekunden-Anzeige:

Minuten-/Sekundenanzeige

Die 60 Low-current-Leuchtdioden (D1 bis D60) für die Anzeige der Minute und der Sekunde sind in Form einer 8 x 8 – Matrix angeordnet. Welche Leuchtdiode leuchten soll wird durch die beiden 1-aus-8-De-koder (IC3 und IC4) bestimmt. Der binäre Wert der 3 Eingänge A0 bis A2 bestimmt, welcher Ausgang Y0 bis Y7 mit dem Eingang Z (Pin 3) verbunden wird. Dem-nach schaltet IC3 den Widerstand R20 an den entsprechenden ausgewählten Ausgang, während IC4 das Massepotential an den ausgewählten Ausgang legt. Als Folge wird eine der 60 Leuchtdioden über den "Vorwiderstand" R20 auf Betriebsspannung gelegt und erhält auch gleichzeitig ein Massepotential und leuchtet, während die anderen Leuchtdioden dunkel bleiben.

Die beiden Kondensatoren C7 und C8 dienen zur Entkoppelung der Betriebsspannung für IC3 und IC4. Für diese Koppelkondensatoren sollten Keramiktypen verwendet werden. Diese sollten möglichst nahe an diese ICs angebracht werden.

Stromversorgung:

Stromversorgung

Zur Stromversorgung gibt es nicht viel zu sagen. Ein Low-Drop-Festspannungsregler (IC5) vom Typ LP2950 übernimmt mit den Kondensatoren C9 und C10 die Spannungsregelung. Als Spannungsquelle dient beispielsweise ein 6-V-Steckernetzteil.
Bei gestecktem Jumper JP2 dient die Leuchtdiode D74 zur Spannungskontrolle. Dieser Jumper sollte allerdings nicht dauerhaft gesteckt werden, da dadurch die Spannungsquelle unnötig zusätzlich belastet wird.

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Autor: Buchgeher Stefan
Erstellt: 17. Februar 2004
Letzte Änderung: 10. Oktober 2004