Arduino Unoのアラームとタイマーを備えたバイナリクロック

こんにちは、Habr！







かなり長い間、私はArduinoプラットフォームに興味がありましたが、手が届きませんでした。 そして今、私は最近2つのArduinoボードとさまざまな無線コンポーネントを購入しました。 いくつかのダイオードで十分に遊んだので、私は何か有用で興味深いものを集めることにしました。 私は以前からバイナリ時計を入手したいと考えていましたが、Arduinoの買収はあなたの好みに合わせてバイナリ時計を作る絶好の機会であることにすぐに気付きました。



電子的な観点から、バイナリクロック回路の組み立てはそれほど難しくありません。 私は仕事を複雑にし、ボタンとLEDの数を否定しないことにしました。 最初の計画によると、プロジェクトは22個のダイオード、6個のボタン、1個のピエゾブザーを使用することでした。 最初は、Arduino Megaで時計を組み立てたかったのです。 Arduino Unoにはこれらすべてを直接管理するのに十分なピンがありませんが、このアイデアを放棄し、問題に対するより合理的なソリューションであるため、77HC595出力シフトレジスタをいくつか購入することにしました。

準備する

ブレッドボード上にデバイスを構築するために必要なものを計算することから始めることにしました。 最後に、これはリストです：



1 Arduino Uno。

2ブレッドボード（フルサイズ、840ポイント）。

24個のLED（7個の赤、7個の緑、6個の青、2個の黄色、2個の白を取りました）。

220オームで25個の抵抗。

ピエゾブザー1個。

6つの時計ボタン。

DIP-16パッケージの3つの出力シフトレジスタ74HC595。

ワイヤーやジャンパーを接続します（約90個かかりました）。

Grove RTC-DS1307 RTCチップに基づくSeeed Studioリアルタイムクロックモジュール。

どのように機能しますか

10種類のバイナリクロックがあります。 いくつかは、2進10進数（BCD）表現で時間を示し、2番目は2進数の形式です。 私はBCD時計がまったく好きではないので、純粋なバイナリ時計を作ることにしました。 BCDクロックよりも読むのが少し難しいかもしれませんが、短い2進数（最大6ビット）を10進数にすばやく変換することはまったく難しくないので、違いは小さいように思えます。 また、私は間違いなく時計の秒を表示することにしました。



ダイオードの分布スキームは次のとおりです。







また、6つのボタンを作成することにしました。



設定-時計/アラーム/タイマー設定モードに切り替え、設定モードで現在のパラメーター値を保存します。

モード-クロック、アラーム、タイマーモードを切り替えます。

Up-クロック/アラーム/タイマーを設定するとき、現在のパラメーターを1つ増やします。 タイマーおよびアラームモードでは、対応するモードのアクティブ化と非アクティブ化を行います。 信号がトリガーされたとき-アラーム/タイマー信号を無効にします。

ダウン-クロック/アラーム/タイマーを設定するとき、現在のパラメーターを1つ減らします。 タイマーモードでは、カウントを初期状態にリセットせずにタイマーを一時停止します。 アラームが鳴ると、アラームは5分間遅延します（スヌーズ）。

24/12-24時間表示と12時間表示を切り替えます。

Dim-LEDのオン/オフを切り替えます（LEDがオフの場合、Dim以外のボタンは機能しません）。

コンポーネント接続

すべてのLEDは抵抗器と直列に接続する必要があります（220オームの抵抗器を使用しました）。そうしないと、ダイオード自体だけでなくArduinoを損傷する可能性があります。 抵抗は、LEDのカソードとアノードの両方に接続できます。 シフトレジスタ74HC595を介してダイオードと通信します。 これは16ピンのチップです。 Arduinoのわずか3つのデジタルピンを使用して、多数のピンを制御できます。







ピン配列74HC595：



Q0-Q7は、シフトレジスタの結果です。 それらにLEDを接続します。

Vccは電源用のピンです。 5Vを印加します。

GNDはアースです。 ArduinoのGNDに接続します。

OE-結論の活性化。 このピンは反転されています。 結論を有効にするには、電圧を削除し、オフにする必要があります-反対に、適用します。 私たちの場合、このピンを制御する必要はないため、単純にグランドに短絡することができます。

MR-レジスタをクリアします。 このピンも反転されているため、制御する必要がないため、5Vに接続できます。

ST_CPは、シフトレジスタの状態を更新するピンです。 新しい状態の記録中は、このピンにLOWを適用し、記録後に-ピンのステータスを更新するにはHIGHを適用する必要があります。 Arduinoのデジタルピンに接続する必要があります。 3つのレジスタすべてですべてのST_CPを並列に接続できます。

SH_CPは、1ビットのレジスタシフトを担当するピンです。 Arduinoのデジタルピンに接続する必要があります。 すべてのチップで3つのSH_CPを並列に接続することもできます。

DS-データを供給するピン。 Arduinoのデジタルピンに接続する必要があります。

Q7 '-他の74HC595とのカスケード接続用のピン。 最初のレジスタのQ7を2番目のDSに接続し、2番目のQ7を3番目のレジスタのDSに接続する必要があります。 3番目のレジスタでは、Q7 'はどこにも接続する必要はありません。



およそ次の接続スキームが判明します。







パイピンセットをArduinoの3番目のピンに220Ωの抵抗と直列に接続しました。 ピエゾツイーターを使用するには、PWM（PWM）をサポートするピンが必要です。 Arduino Unoでは、これらはピン3、5、6、9、10、および11です。







ボタンには2つのオプションがありました。外部抵抗を使用するか、Arduinoに組み込まれているプルアップ抵抗を使用します。



pinMode(pin,INPUT_PULLUP);







このアプローチの唯一の違いは、ボタンを押すとLOWが読み取られ、離すとHIGHになりますが、外部抵抗は必要ないため、このオプションを選択しました。 ボタンの片側をグランドに接続し、もう一方をArduinoのデジタルピンに接続するだけです。







最終的な設計は次のようになります。

ブレッドボードでデバイスを構築する

不足している部品をすべて入手したら、ブレッドボード上でデバイスの組み立てを開始しました。 原則として、外観は非常に予測可能であることが判明しました。







もちろん、結果は私が望んでいたものとはほど遠いものでした。 それでも、ブレッドボードはコンポーネントを配置する自由を厳しく制限します。 さらに、ブレッドボードの上にぶら下がっているワイヤーの束は、審美的な喜びを追加しません。 ただし、ブレッドボードは、完成したデバイスではなく、デバイスのモックアップを収集するためにも存在します。

コード記述

私は他の人の開発を使用せず、ソフトウェア部分を完全に独立して、ゼロから実装することにしました。 電源を入れると、すべてのLEDで点滅し、ピエゾツイーターでビープ音を鳴らすサブルーチンを書くことから開発を始めました。 これにより、チェーン（ボタンをカウントしない）が正しく組み立てられ、最後にオンになってから折りたたまれていないことを確認できます。 電源をオンにすると、多くのデバイスで同様のことが行われます。



スケッチは非常に膨大であることが判明したため、個々の機能の実装については詳細に検討しません。 したがって、実装のいくつかの側面を簡単に検討します。

LED動作

シフトレジスタを介してダイオードと通信するため、最初のステップは、ダイオードを使用して便利に作業するためのルーチンを実装することでした。 すべてのLEDのステータスは、unsigned char型の3つの要素のled配列に保存され、メインループの各反復の終わりにシフトレジスタを介して出力されます。 ダイオードでの作業を簡素化するために、いくつかの補助機能が実装されています。これにより、入力引数（たとえば、時間、分など）に従って希望のビットを簡単にledに設定できます。 また、ダイオードアニメーションのさまざまな効果も実装しました。 たとえば、時計が設定されていない場合、時間と分のダイオードが点滅します（通常のデジタル時計と同様に、設定されていない場合は「0:00」が点滅します）。 2番目のダイオードの場合、1つのダイオードが2番目のダイオードのストリップに沿って左右に動くアニメーションがあります。 たとえば、アラームモード（2番目のダイオードにはより合理的な使用がないため）またはクロックを設定するときに使用されます。 これにより、時計の外観がより興味深いものになります。

メインサイクル

実際、プログラムのメインロジックはステートマシンです。 現在の状態に応じて、時計は関連情報を表示し、ボタンとタイマーイベントが押されると、ある状態から別の状態に切り替わります。 これは、多数のネストされた条件として実装されます。 各ループの繰り返しで、ボタンとタイマーの状態、およびそれらのハンドラーの呼び出しがチェックされ、その後、ダイオードの状態が更新されます。

入る

入力を処理するには、ボタンの状態を含む配列が必要です（ボタンが押されたときに、ハンドラーがクリックごとに1回だけ動作するように）。 ボタンのピンの電圧がLOWになると、ボタンに対応する配列要素をtrueに設定し（既にtrueの場合は何もしません）、クリックハンドラーを呼び出します。 電圧がHIGHに戻ったら、配列要素をfalseにリセットします。 ボタンのステータスの確認は、単一のサブルーチンとして実装されます。

タイマー

主な作業は、タイマーがトリガーされたときに行われます。 プロジェクトでは、2つのタイマーを使用しました。 1つ-2番目の解像度（時計、アラーム、タイマー、および一部のアニメーションの処理用）と2番目-1/8秒の解像度。 現在の時刻を表示する（モードを変更するときの時計の視覚的応答の速度を上げる）ために使用され、2番目のLEDをアニメーション化し、アラーム信号を発します。 両方のタイマーは非常に簡単に実装されます。 millis（）から受け取った値を使用して、最後のタイマー操作から特定の時間間隔が経過したかどうかを確認し、間隔が経過した場合、ハンドラーを呼び出して新しいタイマー操作時間を保存します。 また、単純なタイマー調整が実装されています。 何らかの理由でタイマーが必要以上に数ミリ秒遅れて作動した場合、次の操作の間隔は遅延を補うために同じミリ秒数だけ短縮されます。



スケッチの完全なソースコードはGithubで入手できます。

何が起こったのか見て

ソフトウェアの観点から見ると、結果として得られたデバイスは完全に機能しました（いずれにしても、一見）。 デバイスで見たいものはすべて実装され、安定して動作しました。







しかし、軟膏にハエがないわけではありません。 実際のチェックでは、クロックが1時間に約1秒遅れていることが判明しました。これにより、短時間で非常に重大なエラーが蓄積されます。 問題の詳細な調査により、問題は元のArduino Unoが水晶ではなく、長時間にわたって時間を測定するのに十分な精度を持たないセラミック共振子を使用することであることが示されました。 計算ミスが判明-ボード上の大きな水晶振動子はUSB-シリアルコントローラーにのみ使用され、タイミングに使用することはできません。 この問題にはいくつかの解決策がありました。 最も興味深く、便利なオプションは、リアルタイムクロックを使用するように思えました。 遅れる時計の問題を解決することに加えて、彼らは素晴らしいボーナスを与えます-Arduinoがオフになっているとき、時計はタブレットのバッテリーのために迷いません。



私はSeeed StudioからGrove RTCモジュールを購入しました。 これは、DS1307リアルタイムクロックチップを備えたすぐに使用できるボードです。 また、ボードには時計用クォーツ、3つの抵抗器、バッテリーホルダーがあります。 次のようになります。







RTCモジュールは、I2Cバスを介してArduinoと通信します。 SDAおよびSCLピンは、Arduino UnoでそれぞれピンA4およびA5に接続されます。 GNDはグランドにしがみついています。 5Vは既にクロックボードでビジー状態であるため、Vcc RTCモジュールを接続する場所はありません。 ただし、RTCモジュールは（デジタルピンの許容負荷内で）ほとんど電流を消費しないため、デジタルピンの1つから電力を供給できます。デジタルピンは永続的にHIGHになります。

コード補完

Seeed Studio Webサイトで、RTCモジュールを操作するための既製のライブラリを利用できます。 RTCで作業を実装する際に、最初の質問は、RTCから現在時刻を読み取る必要があることをオンにしたときにどのように判断するかということでした。 これらの目的のために、EEPROMのフラグを使用することが決定されました。 EEPROMのゼロバイトの値がゼロと異なる場合-バイトがゼロの場合、RTCから時間がかかります-そして、未構成のクロックが0:00で点滅する「最初の実行」を実行します。 また、最後に設定されたアラーム時間とタイマーをEEPROMに実装して保存することも同時に論理的でした。 「工場」設定にロールバックできるようにするために、電源を入れたときにセルフテスト手順を少し拡張しました。電源を入れながらSETボタンを押すと、EEPROMがクリアされ、デバイスはソフトウェアの再起動を実行します（コマンドカウンターを0に設定することにより）。



その後、プロジェクトでRTCを操作するために必要な機能のサブセットを実装しましたが、残りのコードに正しく統合するためだけに残っていました。 すべての時間関連ハンドラーである、RTCにバインドされた2番目のタイマーから別の2番目のタイマーに転送しました。 精度に重要ではないタスク（たとえば、LED点滅のアニメーション）の下に古い2番目のタイマーを残しました。



メインループの各反復でチェックされる他のタイマーとは異なり、RTCタイマーチェックは1/8秒間タイマーハンドラーに組み込まれます。 I2Cの操作はかなりリソースを消費する操作であり、サイクル内でRTCを絶えずポーリングすると、タイマーの遅延やパイツイーターの歪んだ音などの望ましくない効果が生じます。 RTCタイマーを2番目のタイマーからチェックすると、クロックが定期的に2秒カウントダウンします（Arduinoのセラミック共振器はリアルタイムよりわずかに遅れているため）。これは非常に望ましくないため、タイマーでRTCを処理するのは1/8秒です最良の選択肢でした。

デバイスに完全な外観を与えます

ソフトウェア部分がどれほど優れていても、結果として得られるデバイスの外観にはまだ多くのことが望まれます。 したがって、私はそれをブレッドボードから本格的なプリント回路基板に移すことにしました。 最初にすべきことは、ボードレイアウトを作成することでした。 これらの目的のために、私はすでにデバイス図とブレッドボードのビューを構築しているので、Fritzingを使用しました。 私はオートルーターの動作を信用せず、ボードを手動でトレースしました。 このプロセスには少し時間がかかりますが、最終的に生産の準備ができたPCB設計が得られました。







中国でPCB製造を注文することにしました。 Seeed StudioにはFusion PCB製造サービスがあります。 Fritzingは、PCBデザインをExtended Gerber（RS-274X）形式にエクスポートできます。この形式は、ほとんどのPCBメーカー（Seeed Studioを含む）で使用できます。 ボードの生産を注文し、2週間以内にボードが作成されたパッケージを受け取りました。







ボード上のすべてのコンポーネントをはんだ付けするだけです。 はんだ付けする機会は一度もありませんでしたが、すぐに慣れました。 私にとっては、初めてかなりうまくいったようです。







最終結果は、ブレッドボードのレイアウトよりもはるかに良く見えます。

おわりに

目覚まし時計とタイマーを備えた独自のバイナリクロック-欲しいものを手に入れました。 バッテリーコンパートメントを使用すると、どこにでも立つことができる完全に自律的な時計が得られます。 Arduinoプラットフォームは私の期待に完全に応えており、プロジェクトで複数回使用すると思います。

参照資料

複数の出力シフトレジスタをカスケード接続する74HC595

内蔵プルアップ抵抗を使用する

バイナリクロックスケッチのソースコード