Часы на ds3231 своими руками
Обновлено: 06.07.2024
DS3231 - высокоточные часы реального времени (RTC) со встроенными I 2 C интерфейсом, термокомпенсированным кварцевым генератором (TCXO) и кварцевым резонатором. Прибор имеет вход для подключения резервного автономного источника питания, позволяющего осуществлять хронометрирование и измерение температуры даже при отключенном основном напряжении питания. Встроенный кварцевый резонатор повышает срок службы прибора и уменьшает необходимое количество внешних элементов. DS3231 доступен в модификациях с коммерчески и индустриальным рабочим температурным диапазоном и упакован в 300 mil 16 контактный SO корпус.
RTC обеспечивает отсчет секунд, минут, часов, дней недели, дней месяца и года. Дата конца месяца определяется автоматически с учетом високосного года. Часы реального времени работают в 24 или 12- часовом формате с индикацией текущей половины суток (AM/PM). Прибор имеет два ежедневных будильника и выход прямоугольного сигнала с программируемой частотой. Обмен данными с прибором ведется через встроенный последовательный I 2 C совместимый интерфейс.
Модуль DS3231 (RTC, ZS-042) — представляет собой недорогую плату с чрезвычайно точными часами реального времени (RTC), с температурной компенсацией кварцевого генератора и кристалла. Модуль включает в себя литиевую батарею, которая поддерживает бесперебойную работу, даже при отключении источник питания. Интегрированный генератор улучшить точность устройства и позволил уменьшить количество компонентов.
Технические параметры
Напряжение питания: 3.3В и 5В
Чип памяти: AT24C32 (32 Кб)
Точность: ± 0.432 сек в день
Частота кварца:32.768 кГц
Поддерживаемый протокол: I2C
Габариты: 38мм x 22мм x 15мм
Общие сведения
Большинство микросхем, таких как DS1307 используют внешний кварцевый генератор частотой 32кГц, но в них есть существенный недостаток, при изменении температуры меняется частота кварца, что приводит к погрешности в подсчете времени. Эта проблема устранена в чипе DS3231, внутрь которого установили кварцевый генератор и датчик температуры, который компенсирует изменения температуры, так что время остается точным (при необходимости, данные температуры можно считать). Так же чип DS3231 поддерживает секунды, минуты, часы, день недели, дата, месяц и год информацию, а так же следит за количеством дней в месяце и делает поправку на високосный год. Поддерживает работу часов в двух форматов 24 и 12, а так-же возможно запрограммировать два будильника. Модуль работает по двух проводной шине I2C.
Подключение DS3231 к Arduino
Необходимые детали:
Arduino UNO R3 x 1 шт.
Часы реального времени на DS3231, RTC, SPI, AT24C32 x 1 шт.
Провод DuPont, 2,54 мм, 20 см, F-M (Female — Male) x 1 шт.
Кабель USB 2.0 A-B x 1 шт.
Тестирование производилось на Arduino IDE 1.8.0
Дата тестирования 31.08.2018г.
DS3231 rtc (SDA , SCL ) ; // Инициализация DS3231
Serial . begin (115200 ) ; // Установка последовательного соединения
rtc . begin () ; // Инициализировать rtc
rtc . setDOW (FRIDAY ) ; // Установить день-недели
rtc . setTime (16 , 29 , 0 ) ; // Установить время 16:29:00 (формат 24 часа)
Serial . print (rtc . getDOWStr () ) ; // Отправляем день-неделя
Serial . print (rtc . getDateStr () ) ; // Отправляем дату
Serial . println (rtc . getTimeStr () ) ; // Отправляем время
delay (1000 ) ; // Задержка в одну секунду
Многие устройства требуют постоянного учёта хронометрических данных (дата, время), эту функцию выполняют специальные электронные схемы, которые называются часами реального времени. Часы реального времени, в нынешнее время, реализованы в виде отдельной микросхемы, к которой нужно добавить кварцевый резонатор и автономный источник питания. В некоторых микросхемах, кварцевый резонатор встроен внутри. Одни из таких часов на микросхеме DS3231SN я купил для своих проектов . В примере буду подключать часы реального времени к китайскому аналогу Arduino UNO.
Представляют из себя законченный модуль ZS-042, который можно подключать к различным устройствам, не только к платформе Arduino.
Модуль построен на микросхеме DS3231SN , которая по сути и является часами реального времени. В отличии от старой модели часов, например на микросхеме DS1307, эти часы содержат внутренний кварцевый резонатор, благодаря чему часы имеют точный ход.
Реализовать часы на Arduino можно и без DS3231SN , но тогда при пропадании питания, значения таймера сбрасываются. Эти же часы имеют резервное питание, поэтому при пропадании питания, они продолжают дальше работать.
Часы умеют производить подсчёт часов, минут, секунд, дат, месяцев, лет (високосные года учитываются до 2100 года). Работают в 12 или 24 часовом режиме, содержат два будильника, а так же имеют внутренний термометр, с диапазоном от -40 ° C до + 85 ° C. Для подключения к различным устройствам, часы подключаются по I2C интерфейсу.
Расположение и назначение пинов на модуле ZS-042:
SQW - Программируемый выход Square-Wave сигнала.
SCL – Через этот пин по интерфейсу I2C происходит обмен данными с часами.
SDA – Через этот пин передаются данные с часов.
VCC – Питание часов реального времени, нужно 5 вольт. Если на этот пин не поступает напряжение, часы переходят в спящий режим.
GND - Земля.
Для подключения к Arduino UNO, пин SDA часов подключаем к пину A4, а пин SCL к A5. Для питания используются пины GND(-) и VCC(+5v).
Пины SDA и SCL на разных платах Arduino:
Установим батарейку CR2032 в часы, такие элементы используются для питания BIOS в компьютерах.
Для того что бы запрограммировать часы через Arduino IDE нужно установить библиотеки.
Последняя библиотека была написана для часов на микросхеме DS1307, но её протоколы взаимодействия совместимы с DS3231, поэтому библиотека подойдёт к нашим часам.
Устанавливаем Дату и время.
Для этого скопируем данный код в Arduino IDE.
Для корректной настройки нужно изменить данные в строке
setTime(13,35,0,22,12,2016);
В скобках через запятую устанавливаем правильные: часы, минуты, секунды, число, месяц, год. У меня в примере установлено 13 часов 35 минут 0 секунд, 22 декабря 2016 год. Вгружаем скетч в Arduino.
В открывшемся окне будет отображаться текущие дата и время. Если отключить питание модуля часов от Arduino, Arduino не сможет отслеживать значения и в мониторе через какое то время появится надпись ". read error! " (выделил красным). После возобновления питания, показания даты и времени будут отсчитываться далее. Показания даты и времени не сбросились, поскольку часы питались от своей батарейки CR2032.
Во многих проектах Ардуино требуется отслеживать и фиксировать время наступления тех или иных событий. Модуль часов реального времени, оснащенный дополнительной батарей, позволяет хранить текущую дату, не завися от наличия питания на самом устройстве. В этой статье мы поговорим о наиболее часто встречающихся модулях RTC DS1307, DS1302, DS3231, которые можно использовать с платой Arduino.
Модуль часов представляет собой небольшую плату, содержащей, как правило, одну из микросхем DS1307, DS1302, DS3231.Кроме этого, на плате практически можно найти механизм установки батарейки питания. Такие платы часто применяется для учета времени, даты, дня недели и других хронометрических параметров. Модули работают от автономного питания – батареек, аккумуляторов, и продолжают проводить отсчет, даже если на Ардуино отключилось питание. Наиболее распространенными моделями часов являются DS1302, DS1307, DS3231. Они основаны на подключаемом к Arduino модуле RTC (часы реального времени).
Электронная схема включает в себя микросхему, источник питания, кварцевый резонатор и резисторы. Кварцевый резонатор работает на частоте 32768 Гц, которая является удобной для обычного двоичного счетчика. В схеме DS3231 имеется встроенный кварц и термостабилизация, которые позволяют получить значения высокой точности.
Сравнение популярных модулей RTC DS1302, DS1307, DS3231
В этой таблице мы привели список наиболее популярных модулей и их основные характеристики.
±3,5 ppm при температурах от -40С до 85С.
Точность измерения температуры – ±3С
Модуль DS1307
DS1307 – это модуль, который используется для отсчета времени. Он собран на основе микросхемы DS1307ZN, питание поступает от литиевой батарейки для реализации автономной работы в течение длительного промежутка времени. Батарея на плате крепится на обратной стороне. На модуле имеется микросхема AT24C32 – это энергонезависимая память EEPROM на 32 Кбайт. Обе микросхемы связаны между собой шиной I2C. DS1307 обладает низким энергопотреблением и содержит часы и календарь по 2100 год.
Модуль обладает следующими параметрами:
- Питание – 5В;
- Диапазон рабочих температур от -40С до 85С;
- 56 байт памяти;
- Литиевая батарейка LIR2032;
- Реализует 12-ти и 24-х часовые режимы;
- Поддержка интерфейса I2C.
Модуль оправдано использовать в случаях, когда данные считываются довольно редко, с интервалом в неделю и более. Это позволяет экономить на питании, так как при бесперебойном использовании придется больше тратить напряжения, даже при наличии батарейки. Наличие памяти позволяет регистрировать различные параметры (например, измерение температуры) и считывать полученную информацию из модуля.
Взаимодействие с другими устройствами и обмен с ними информацией производится с помощью интерфейса I2C с контактов SCL и SDA. В схеме установлены резисторы, которые позволяют обеспечивать необходимый уровень сигнала. Также на плате имеется специальное место для крепления датчика температуры DS18B20.Контакты распределены в 2 группы, шаг 2,54 мм. В первой группе контактов находятся следующие выводы:
- DS – вывод для датчика DS18B20;
- SCL – линия тактирования;
- SDA – линия данных;
- VCC – 5В;
Во второй группе контактов находятся:
- SQ – 1 МГц;
- BAT – вход для литиевой батареи.
Для подключения к плате Ардуино нужны сама плата (в данном случае рассматривается Arduino Uno), модуль часов реального времени RTC DS1307, провода и USB кабель.
Чтобы подключить контроллер к Ардуино, используются 4 пина – VCC, земля, SCL, SDA.. VCC с часов подключается к 5В на Ардуино, земля с часов – к земле с Ардуино, SDA – А4, SCL – А5.
Для начала работы с модулем часов нужно установить библиотеки DS1307RTC, TimeLib и Wire. Можно использовать для работы и RTCLib.
Проверка RTC модуля
При запуске первого кода программа будет считывать данные с модуля раз в секунду. Сначала можно посмотреть, как поведет себя программа, если достать из модуля батарейку и заменить на другую, пока плата Ардуино не присоединена к компьютеру. Нужно подождать несколько секунд и вытащить батарею, в итоге часы перезагрузятся. Затем нужно выбрать пример в меню Examples→RTClib→ds1307. Важно правильно поставить скорость передачи на 57600 bps.
При открытии окна серийного монитора должны появиться следующие строки:
Будет показывать время 0:0:0. Это связано с тем, что в часах пропадает питание, и отсчет времени прекратится. По этой причине нельзя вытаскивать батарею во время работы модуля.
Чтобы провести настройку времени на модуле, нужно в скетче найти строку
В этой строке будут находиться данные с компьютера, которые используются ля прошивки модуля часов реального времени. Для корректной работы нужно сначала проверить правильность даты и времени на компьютере, и только потом начинать прошивать модуль часов. После настройки в мониторе отобразятся следующие данные:
Настройка произведена корректно и дополнительно перенастраивать часы реального времени не придется.
Считывание времени. Как только модуль настроен, можно отправлять запросы на получение времени. Для этого используется функция now(), возвращающая объект DateTime, который содержит информацию о времени и дате. Существует ряд библиотек, которые используются для считывания времени. Например, RTC.year() и RTC.hour() – они отдельно получают информацию о годе и часе. При работе с ними может возникнуть проблема: например, запрос на вывод времени будет сделан в 1:19:59. Прежде чем показать время 1:20:00, часы выведут время 1:19:00, то есть, по сути, будет потеряна одна минута. Поэтому эти библиотеки целесообразно использовать в случаях, когда считывание происходит нечасто – раз в несколько дней. Существуют и другие функции для вызова времени, но если нужно уменьшить или избежать погрешностей, лучше использовать now() и из нее уже вытаскивать необходимые показания.
Пример проекта с i2C модулем часов и дисплеем
Проект представляет собой обычные часы, на индикатор будет выведено точное время, а двоеточие между цифрами будет мигать с интервалом раз в одну секунду. Для реализации проекта потребуются плата Arduino Uno, цифровой индикатор, часы реального времени (в данном случае вышеописанный модуль ds1307), шилд для подключения (в данном случае используется Troyka Shield), батарейка для часов и провода.
В проекте используется простой четырехразрядный индикатор на микросхеме TM1637. Устройство обладает двухпроводным интерфейсом и обеспечивает 8 уровней яркости монитора. Используется только для показа времени в формате часы:минуты. Индикатор прост в использовании и легко подключается. Его выгодно применять для проектов, когда не требуется поминутная или почасовая проверка данных. Для получения более полной информации о времени и дате используются жидкокристаллические мониторы.
Модуль часов подключается к контактам SCL/SDA, которые относятся к шине I2C. Также нужно подключить землю и питание. К Ардуино подключается так же, как описан выше: SDA – A4, SCL – A5, земля с модуля к земле с Ардуино, VCC -5V.
Индикатор подключается просто – выводы с него CLK и DIO подключаются к любым цифровым пинам на плате.
Скетч. Для написания кода используется функция setup, которая позволяет инициализировать часы и индикатор, записать время компиляции. Вывод времени на экран будет выполнен с помощью loop.
После этого скетч нужно загрузить и на мониторе будет показано время.
Программу можно немного модернизировать. При отключении питания выше написанный скетч приведет к тому, что после включения на дисплее будет указано время, которое было установлено при компиляции. В функции setup каждый раз будет рассчитываться время, которое прошло с 00:00:00 до начала компиляции. Этот хэш будет сравниваться с тем, что хранятся в EEPROM, которые сохраняются при отключении питания.
Для записи и чтения времени в энергонезависимую память или из нее нужно добавить функции EEPROMWriteInt и EEPROMReadInt. Они нужны для проверки совпадения/несовпадения хэша с хэшем, записанным в EEPROM.
Можно усовершенствовать проект. Если использовать жидкокристаллический монитор, можно сделать проект, который будет отображать дату и время на экране. Подключение всех элементов показано на рисунке.
В результате в коде нужно будет указать новую библиотеку (для жидкокристаллических экранов это LiquidCrystal), и добавить в функцию loop() строки для получения даты.
Алгоритм работы следующий:
- Подключение всех компонентов;
- Проверка – на экране монитора должны меняться ежесекундно время и дата. Если на экране указано неправильное время, нужно добавить в скетч функцию RTC.write (tmElements_t tm). Проблемы с неправильно указанным временем связаны с тем, что модуль часов сбрасывает дату и время на 00:00:00 01/01/2000 при выключении.
- Функция write позволяет получить дату и время с компьютера, после чего на экране будут указаны верные параметры.
Заключение
Модули часов используются во многих проектах. Они нужны для систем регистрации данных, при создании таймеров и управляющих устройств, которые работают по заданному расписанию, в бытовых приборах. С помощью широко распространенных и дешевых модулей вы можете создать такие проекты как будильник или регистратор данных с сенсоров, записывая информацию на SD-карту или показывая время на экране дисплея. В этой статье мы рассмотрели типичные сценарии использования и варианты подключения наиболее популярных видов модулей.
RTC обеспечивает отсчет секунд, минут, часов, дней недели, дней месяца и года. Дата конца месяца определяется автоматически с учетом високосного года. Часы реального времени работают в 24 или 12- часовом формате с индикацией текущей половины суток (AM/PM). Прибор имеет два ежедневных будильника и выход прямоугольного сигнала с программируемой частотой. Обмен данными с прибором ведется через встроенный последовательный I2C совместимый интерфейс.
Прецизионный термокомпенсированный источник опорного напряжения и схема сравнения отслеживают напряжение основного питания VCC и при его снижении ниже заданного порога формируют сигнал сброса и осуществляют перевод схемы на работу от резервного источника питания. Дополнительный вывод RST может использоваться для внешнего сброса.
Модуль ZS-042 на базе RTC DS3231N
Представляют из себя законченный модуль ZS-042, который можно подключать к различным устройствам, не только к платформе Arduino.
Модуль построен на микросхеме DS3231SN, которая по сути и является часами реального времени. В отличии от старой модели часов, например на микросхеме DS1307, эти часы содержат внутренний кварцевый резонатор, благодаря чему часы имеют точный ход.
Принципиальная схема
Расположение и назначение пинов на модуле ZS-042
| Вывод | Описание |
|---|---|
| 32К | Выход, частота 32 кГц |
| SQW | Программируемый выход Square-Wave сигнала |
| SCL | Линия тактирования (Serial CLock) |
| SDA | Линия данных (Serial Data) |
| VCC | Питание модуля |
| GND | Земля |
Описание ATMEL AT24C32N
Отличительные особенности DS3231
Режимы электропитания
Напряжение питания микросхемы может находиться в пределах 2.3…5.5В, имеются две линии питания, для внешнего источника (линия Vcc), а также для батареи (Vbat). Напряжение внешнего источника постоянно отслеживается, при падении ниже порога Vpf=2,5В, происходит переключение на линию батареи. В следующей таблице представлены условия переключения между линиями питания:
| Комбинации уровней напряжения | Активная линия питания |
|---|---|
| Vcc Vbat | Vcc |
| Vcc > Vpf, Vcc Vpf, Vcc > Vbat | Vcc |
Точность хода часов поддерживается за счет отслеживания температуры окружающей среды. В микросхеме запускается внутренняя процедура корректировки частоты тактового генератора, величина корректировки определяется по специальному графику зависимости частоты от температуры. Процедура запускается после подачи питания, а затем выполняется каждые 64 секунды.
В целях сохранения заряда, при подключении батареи (подача напряжения на линию Vbat), тактовый генератор не запускается до тех пор, пока напряжение на линии Vcc не превысит пороговое значение Vpf, или не будет передан корректный адрес микросхемы по интерфейсу I2C. Время запуска тактового генератора составляет менее одной секунды. Примерно через 2 секунды после подачи питания (Vcc), или получения адреса по интерфейсу I2C, запускается процедура коррекции частоты. После того как тактовый генератор запустился, он продолжает функционировать до тех пор, пока присутствует напряжение Vcc или Vbat. При первом включении регистры даты и времени сброшены, и имеют следующие значения 01/01/ 00 — 01 — 00/00/00 (день/месяц/год/ — день недели — час/минуты/секунды).
Ток потребления при питании от батареи напряжением 3.63В, составляет 3 мкА, при отсутствии передачи данных по интерфейсу I2C. Максимальный ток потребления может достигать 300 мкА, в случае использования внешнего источника питания напряжением 5.5В, и высокой скорости передачи данных I2C.
Функция внешнего сброса
Линия RST может использоваться для внешнего сброса, а также обладает функцией оповещения о низком уровне напряжения. Линия подтянута к высокому логическому уровню через внутренний резистор, внешняя подтяжка не требуется. Для использования функции внешнего сброса, между линией RST и общим проводом можно подключить кнопку, в микросхеме реализована защита от дребезга контактов. Функция оповещения активируется при снижении напряжения питания Vcc ниже порогового значения Vpf, при этом на линии RST устанавливается низкий логический уровень.
Описание регистров DS3231
Ниже в таблице представлен перечень регистров часов реального времени:
| Адрес | D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 | Функция | Пределы |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0x00 | 0 | 10 секунд | Секунды | Секунды | 00-59 | |||||
| 0x01 | 0 | 10 минут | Минуты | Минуты | 00-59 | |||||
| 0x02 | 0 | 12/24 | AM/PM | 10 часов | Час | Часы | 1-12 + AM/PM или 00-23 | |||
| 10 часов | ||||||||||
| 0x03 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | День | День недели | 1-7 | ||
| 0x04 | 0 | 0 | 10 число | Число | Дата | 01-31 | ||||
| 0x05 | Century | 0 | 0 | 10 месяц | Месяц | Месяцы/век | 01-12 + Век | |||
| 0x06 | 10 лет | Год | Годы | 00-99 | ||||||
| 0x07 | A1M1 | 10 секунд | Секунды | Секунды, 1-й будильник | 00-59 | |||||
| 0x08 | A1M2 | 10 минут | Минуты | Минуты, 1-й будильник | 00-59 | |||||
| 0x09 | A1M3 | 12/24 | AM/PM | 10 часов | Час | Часы, 1-й будильник | 1-12 + AM/PM или 00-23 | |||
| 10 часов | ||||||||||
| 0x0A | A1M4 | DY/DT | 10 число | День | День недели, 1-й будильник | 1-7 | ||||
| Число | Дата, 1-й будильник | 01-31 | ||||||||
| 0x0B | A2M2 | 10 минут | Минуты | Минуты, 2-й будильник | 00-59 | |||||
| 0x0C | A2M3 | 12/24 | AM/PM | 10 часов | Час | Часы, 2-й будильник | 1-12 + AM/PM или 00-23 | |||
| 10 часов | ||||||||||
| 0x0D | A2M4 | DY/DT | 10 число | День | День недели, 2-й будильник | 1-7 | ||||
| Число | Дата, 2-й будильник | 01-31 | ||||||||
| 0x0E | EOSC | BBSQW | CONV | RS2 | RS1 | INTCN | A2IE | A1IE | Регистр настроек (Control) | |
| 0x0F | OSF | 0 | 0 | 0 | EN32kHz | BSY | A2F | A1F | Регистр статуса (Status) | |
| 0x10 | SIGN | DATA | DATA | DATA | DATA | DATA | DATA | DATA | Регистр подстройки частоты (Aging Offset) | |
| 0x11 | SIGN | DATA | DATA | DATA | DATA | DATA | DATA | DATA | Регистр температуры, старший байт | |
| 0x12 | DATA | DATA | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | Регистр температуры, младший байт | |
Информация о времени хранится в двоично-десятичном формате, то есть каждый разряд десятичного числа (от 0 до 9) представляется группой из 4-х бит. В случае одного байта, младший полубайт отсчитывает единицы, старший десятки и т. д. Счет времени осуществляется в регистрах с адресами 0x00-0x06, для отсчета часов можно выбрать режим 12-ти или 24-х часов. Установка 6-го бита регистра часов (адрес 0x02), задает 12-ти часовой режим, в котором 5-й бит указывает на время суток, значению 1 соответствует время после полудня (PM), значению 0 до полудня (AM). Нулевое значение 6-го бита соответствует 24-х часовому режиму, здесь 5-й бит участвует в счете часов (значения 20-23).
Регистр дня недели увеличивается в полночь, счет идет от 1 до 7, регистр месяцев (адрес 0x05) содержит бит века Century (7-й бит), который переключается при переполнении регистра счета лет (адрес 0x06), от 99 к 00.
В микросхеме DS3231 реализовано два будильника, 1-й будильник настраивается с помощью регистров с адресами 0x07-0x0A, 2-й будильник регистрами 0x0B-0x0D. Битами A1Mx и A2Mx можно настроить различные режимы для будильников, установка бита исключает соответствующий регистр из операции сравнения.
В данной статье рассматривается пример создания простых часов на микроконтроллерной плате Arduino Uno с выводом показаний на четырехразрядный семисегментный индикатор с контроллером TM1637. Разделитель (двоеточие) будет мигать раз в секунду. Время в микросхеме DS3231 устанавливается отдельным скетчем.
Схема часов на Arduino и RTC DS3231
Для установки текущего времени и даты в модуль RTC DS3231, загрузите следующий код:
Я обнаружил, что использование чипа RTC DS3231 чрезвычайно сложно с Arduino.
Простая установка времени довольно сложна, не говоря уже о коде. Но я нашел отличную и удобную библиотеку, которая действительно улучшает использование чипа DS3231.
Шаг 1. Соединения
Конечно, сначала вам нужно подключить чип. Это очень просто, сделайте это в соответствии с рисунками ниже:
- VCC -> Arduino 5V
- GND -> Arduino GND
- SCL -> SCL or A5
- SDA -> SDA or A4
Насколько я знаю, в Arduino UNO и MEGA имеются специальные выходы SCL и SDA. Есть также два других контакта 32K и SQW, но мы не будем их использовать, поскольку мы получим полную функциональность через интерфейс I2C.
Шаг 2:. Библиотека
Мы будем использовать библиотеку Хеннинга Карлсена, которая реально классная. Большое спасибо ему за это! Существуют некоторые основные функции, такие как время и дата чтения, время и дата записи. Загрузить библиотеку можно на этой странице в нашем разделе Библиотек.
Шаг 3. Код проекта
Я просто использую примерный эскиз из библиотеки, который будет содержать множество комментариев:
На этом всё, эта библиотека очень проста в использовании.
В настоящее время во встраиваемой электронике (и не только) достаточно широкое применение находят часы на семисегментных дисплеях (индикаторах). Ранее на нашем сайте мы уже рассматривали подключение семисегментного дисплея к плате Arduino Uno, также у нас представлены проекты различных часов на основе Arduino:
В этой же статье мы рассмотрим создание часов на основе платы Arduino и четырех семисегментных дисплеях. Управление семисегментными дисплеями мы будем осуществлять с помощью технологии мультиплексирования.
Необходимые компоненты
- Плата Arduino UNO (купить на AliExpress).
- 4-х разрядный семисегментный дисплей (индикатор) (4-Digit 7 Segment Display) (купить на AliExpress).
- Микросхема 74HC595 (регистр сдвига) (купить на AliExpress).
- Модуль часов реального времени DS3231 (купить на AliExpress).
- Макетная плата.
- Соединительные провода.
4-х разрядный семисегментный дисплей (4-Digit 7 Segment Display)
4-х разрядный семисегментный дисплей состоит из четырех семисегментных дисплеев, объединенных в единое устройство. Иногда говорят, что эти дисплеи “мультиплексированы вместе”, поэтому для управления ими можно использовать технологию мультиплексирования. Этот дисплей можно использовать для отображения цифр, а также некоторых букв. Дисплей можно использовать в обоих направлениях. 4 символа удобно использовать для изготовления электронных часов или счетчика от 0 до 9999.
На следующем рисунке показана внутренняя схема соединений 4-х разрядного семисегментного дисплея.
Каждый сегмент дисплея имеет собственный светодиод и им можно индивидуально управлять. Светодиоды таким образом скомпонованы в составе дисплея, что каждый из них освещает только свой сегмент (к которому он относится). Семисегментные дисплеи могут быть с общим катодом и общим анодом, как показано на следующем рисунке.
В семисегментном дисплее с общим катодом (ОК) отрицательные выводы всех светодиодов соединены вместе и образую общую землю. В схеме с общим анодом (ОА) положительные выводы всех светодиодов соединены вместе и они образуют общий вывод напряжения постоянного тока (VCC).
На нашем сайте есть достаточно подробные статьи про устройство семисегментных дисплеев и их программированию – они написаны для микроконтроллеров семейства AVR, но я думаю провести аналогию с Arduino вам будет не трудно:
Использование технологии мультиплексирования
Так каким образом мы можем на подобном 4-х символьном семисегментном дисплее отобразить, к примеру, число 1234? Это возможно сделать с использованием технологии мультиплексирования. Смысл этой технологии достаточно прост – в каждый момент времени мы отображаем только один символ (из 4-х возможных) на данном дисплее. Переключение между отображением всех 4-х символов происходит достаточно быстро – поэтому человеческий глаз воспринимает их непрерывно горящими.
Регистр сдвига 74HC595
Микросхема 74HC595 использует 3 контакта (Clock, Data & Latch) для подключения к микроконтроллеру и позволяет контролировать 8 своих выходных контактов. Контакт Clock используется для непрерывной подачи синхронизирующих импульсов, а контакт Data предназначен для подачи на него необходимых данных. Регистр сдвига 74HC595 работает по интерфейсу SPI, подробную информацию по использованию данного интерфейса в платах Arduino вы можете почерпнуть в этой статье. Назначение контактов микросхемы 74HC595 приведено на следующих двух рисунках.
Расшифровка обозначений контактов регистра сдвига74HC595 на русском языке выглядит следующим образом.
Q0-Q7 – восемь параллельных выходов общего назначения. Данные выходы нужны для того, чтобы мы могли как-то воспользоваться пришедшими данными по SPI – подключить линейку светодиодов, либо сегменты какого-то индикатора, либо дешифратор и т.д.
VCC – напряжение питания.
GND – общий провод.
Q7' – последовательный выход данных. По сути - это MISO.
DS – последовательный вход данных или MOSI.
MR – это master reset. Сбрасывает все выходы в 0. Для нормального функционирования регистра сдвига на нем должна быть логическая 1.
SH_CP – в нашем случае это будет chip select.
ST_CP – это контакт управления регистром хранения, в нашем случае это будет контакт синхронизации, на который необходимо подавать тактовые импульсы. Но Arduino будет делать для нас это автоматически при использовании соответствующей команды.
OE – задействования выхода. При отрицательном значении последовательный выход включен, при положительном – выключен.
Модуль часов реального времени DS3231
Внешний вид данного модуля представлен на следующем рисунке.
Модуль предназначен для хранения времени и даты даже когда общее питание схемы выключено – для этой цели в его состав входит элемент питания CR2032. В состав модуля DS3231 входит также датчик температуры, поэтому его можно использовать в различных встраиваемых устройствах, например, в цифровых часах с индикатором температуры и т.д. Модуль работает по интерфейсу I2C. На нашем сайте вы можете посмотреть следующие проекты с использованием данного модуля:
Назначение контактов (распиновка) модуля DS3231 приведена в следующей таблице.
| Наименование контакта | Назначение контакта |
| VCC | напряжение питания |
| GND | общий провод (земля) |
| SDA | контакт последовательной передачи данных (I2C) |
| SCL | контакт синхронизации (тактирования) (I2C) |
| SQW | выход прямоугольного сигнала (программируемый меандр) |
| 32K | выход меандра с частотой 32.768кГц |
Теперь перейдем непосредственно к схеме нашего проекта.
Схема проекта
Схема часов на Arduino и 4-х разрядном семисегментном индикаторе представлена на следующем рисунке.
В следующей таблице представлены необходимые соединения между модулем часов реального времени и платой Arduino Uno.
| DS3231 | Arduino Uno |
| VCC | 5V |
| GND | GND |
| SDA | A4 |
| SCL | A5 |
В следующей таблице представлены необходимые соединения между регистром сдвига 74HC595 и платой Arduino Uno.
В следующей таблице представлены необходимые соединения между регистром сдвига 74HC595, 4-х разрядным семисегментным дисплей и платой Arduino Uno.
| 4-х разрядный семисегментный дисплей | Регистр сдвига 74HC595 | Arduino Uno |
| A | Q0 | - |
| B | Q1 | - |
| C | Q2 | - |
| D | Q3 | - |
| E | Q4 | - |
| F | Q5 | - |
| G | Q6 | - |
| D1 | - | 10 |
| D2 | - | 11 |
| D3 | - | 12 |
| D4 | - | 9 |
Внешний вид собранной конструкции проекта показан на следующем рисунке.
Объяснение программы для Arduino
Полный код программы и видео, демонстрирующее работу проекта, приведены в конце статьи. Здесь же мы рассмотрим основные фрагменты кода программы.
В программе мы должны считывать время (часы и минуты в 24-часовом формате) с модуля часов реального времени и конвертировать их в формат для отображения на 4-х символьном семисегментном дисплее.
Для подключения модуля часов реального времени DS3231 к плате Arduino используется шина I2C. Для работы с данным модулем (считывания даты, времени, температуры и т.д.) мы в программе будем использовать библиотеку . Скачайте ее по следующей ссылке - DS3231 RTC module Arduino Library. Поскольку мы используем интерфейс I2C нам в программе необходимо будет подключить и библиотеку .
В нашем проекте часы и минуты считываются с модуля часов реального времени и они потом объединяются вместе, например, 0930 – это будет 09:30 pm. Затем мы выделяем индивидуальные цифры из этого считанного числа. Далее эти индивидуальные цифры преобразуются в двоичный формат и передаются на регистр сдвига, а с него на семисегментный дисплей. Для отображения всех четырех символов мы используем технологию мультиплексирования – то есть в каждый момент времени мы отображаем только один символ, но переключение между символами происходит с высокой частотой, поэтому человеческий глаз этого не замечает.
Читайте также: