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DCF77 Wecker mit ATmega324PA

10 DCF77 Wecker mit ATmega324PA

Experimentell! Noch nicht getestet!

Mit diesem Projekt versuche ich folgende Teile zu integrieren:

den AM-Gleichrichter für 77.5 kHz HF oder 32.868 kHz ZF,
den Controller, der die Frequenz der Eingangs-HF-Stufe mit der AFC-PWM einstellt und den AGC-Regler, der die Verstärkung des HF-/ZF-Verstärkers über die AGC-PWM einstellt und der die DCF77-Signale dekodiert, und
die Anzeige von Datum und Zeit auf einer LCD.

Verbindungen der Komponenten der Weckuhr

Das sind die Verbindungen der Weckuhr zu den Empfangskomponenten.

Zusätzlich kommen noch folgende Komponenten hinzu, um einen vollwertigen Wecker zu erhalten:

ein Quarz, der die Zeitbasis für die DCF77-unabhängige Zeit- und Datumsinformationen liefert, auch ganz ohne DCF77,
die Möglichkeit, Datum und Uhrzeit und die Weckzeit mittels dreier Tasten einzustellen,
das Stellen einer Weckzeit, zu der Melodien auf einem kleinen Lautsprecher ertönen, und
das Messen des Umgebungslichts, um die Helligkeit der LCD-Beleuchtung an die dessen Intensität anpassen zu können.

Das Projekt ist bislang eine Idee und noch nicht fertig aufgebaut.

10.1 Auswahl des Controllers

Um alle Hardware-Anforderungen zu erfüllen, die benötigt werden, muss der Controller folgende Komponenten haben:

zwei PWM-Ausgänge mit hoher Frequenz für die AFC- und AGC-Steuerung,
einen PWM-Ausgang mit einer Frequenz von 100 bis 200 Hz für die Hintergrundbeleuchtung der LCD,
einen 16-Bit-Timer im CTC-Modus mit einem OC-Ausgangspin um den Weckton und die Musik zu erzeugen,
zwei Xtal-Pins um den Controller mit einem Quarz takten zu können,
einen 8-Bit bidirektionalen Port für den Datentransfer zur LCD und um die Busy-Flagge der LCD lesen zu können,
drei Pins für die drei Tasten, die Interrupts beim Tastendrücken auslösen können (entweder INTn- oder PCINTn-Interrupts),
drei Analogwandler-Eingänge für die Messung der HF/ZF-Amplitude, des Umgebungslicht-Sensors und eines Potenziometers, das für die komfortable Eingabe von Datum, Uhrzeit und Weckzeit dient.

Da einer der drei Timer auch noch den 5-ms-Puls für die DCF77-Signal-Analyse und für die daraus abgleiteten Sekundenimpulse liefern muss, habe ich TC2 für diesen Zweck ausersehen. Da eine genaue Zeitbasis nötig ist und daher dieser Timer im CTC-Betrieb mit Compare A arbeiten muss, habe ich OCR2B für die PWM vorgesehen.

DCF77-Wecker: Auswahl des AVR-Typs

Das ist die Auswahl des Controllers im AVR-Assembler-Simulator avr_sim. Nicht sehr viele AVR-Typen erfüllen alle diese Anforderungen. Allen enden mit "4". Ein Preisvergleich ergab, dass ATmega324PA mein Favorit ist.

10.2 Die Hardware

Das ist das Schaltbild der kompletten Hardware des Weckers.

Die drei AD-Wandler-Kanäle ADC0, ADC1 und ADC2 sind mit den folgenden externen Komponenten verbunden:

das HF- oder ZF-Signal des DCF77-Empfängers, das auf seine Amplitude hin intern untersucht wird, ist an ADC0 angeschlossen,
ADC1 empfängt das Sensorsignal des Umgebungslichtmessgeräts von außerhalb der Box,
an ADC2 ist der Schleifer des Potenziometers angeschlossen, das die Spannung für 0 bis 59 (Sekunden, Minuten) bzw. für 0 bis 23 (Stunden) bzw. 0..6 (Wochentag) misst.

Normalerweise misst der ADC die Amplitude des HF-/ZF-Signals in einer sehr schnellen Folge und ist daher im Freilaufmodus mit eingeschalteten Interrupts. Von Zeit zu Zeit (2 Sekunden für den Lichtsensor, 200 ms für das Potenziometer, aber nur, wenn die Eingabe aktiv ist. In beiden Fällen werden Freilaufmodus und ADC-Interrupts gestoppt und nach der Einzelmessung im Polling-Verfahren wieder gestartet.

Der Controller wird von dem Quarz mit 4,096 MHz getaktet, so dass der Betrieb der Weckuhr auch ohne Synchronisation mit DCF77 über Monate hinweg exakt erfolgt, ohne dass die Uhr nachgestellt werden muss.

PWM-Restwelligkeit des RC-Netzwerks

Die AFC- und AGC-Signale werden von den Ausgängen OC0A und OC0B produziert und mit einem jeweils zweistufigen RC-Netzwerk gefilter. Die PWM-Frequenz beträgt 16 kHz, während die Zeitkonstante des RC-Netzwerks 1000-fach niedriger bei 14,5 Hz liegt. Daher ist die Restwelligkeit des RC-Netzwerks mit 10 µV niedrig genug, um die AFC und AGC nicht zu stören. Während die Welligkeit am ersten Kondensator noch 7,82 mV beträgt, ist sie am zweiten Kondensator vernachlässigbar niedrig. Die Berechnung wurde mit LibreOffice Calc durchgeführt, das Rechensheet ist hier verfügbar.

Die drei Tasten sind an PB0, PB1 und PB2 angeschlossen. Die Eingänge sind mit Pull-Up-Widerständen per software auf die Betriebsspannung gezogen. Tastendrücke bewirken PCINT-Interrupts. Jede betätigte Taste blockiert weitere PCINT-Interrupts für 100 ms lang, so dass Tastenprellen unterbunden wird.

Alle externen Komponenten sind über einen 10-poligen Steckverbinder angeschlossen, dessen Pinbelegung rechts unten gezeigt ist.

Um den ATmega324PA innerhalb des Systems zu programmieren ist ein Standard-6-Pin-Stecker vorhanden. Der ist in der extern fertig programmierten Version nicht nötig, aber erleichtert Programmänderungen.

10.3 Aufbau des Weckers

Noch zu machen (TBD)

10.4 Software für den Wecker

TBD

10.4.1 Download der kompletten Software

TBD

10.4.2 Software für Hardware-Tests

TBD

10.4.2.1 Testen des Quarztaktes und des ISP-Interfaces

TBD

10.4.2.2 Installation und testen der LCD

TBD

10.4.2.3 Testen der LEDs

TBD

10.4.2.4 Testen der AFC- und AGC-Signal-Erzeugung

TBD

10.4.2.5 Testen der Tasten

TBD

10.4.2.6 Testen des Lautsprechers

TBD

10.4.2.7 Testen des HF-/ZF-Gleichrichters

TBD

10.4.2.8 Testen des Umgebungslichtsensors

TBD

10.4.2.9 Testen des Potenziometers

TBD

10.4.3 Software für den Wecker

10.4.3.1 Datum und Zeit

Die Zeit ist unabhängig von der DCF77-Synchronisation abgeleitet vom 4,096-MHz-Systemtakt durch TC2. TC2 teilt im Vorteiler durch 256 und im CTC-Modus durch Voreinstellung in Compare A durch 80. Das liefert eine PWM-Zykluszeit von f = 4,096 MHz / 256 / 80 = 200 Hz. Das Register rSecDiv zählt von 200 auf Null. Ist es Null, dann ist eine Sekunde vergangen und Zeit und Datum müssen um eine Sekunde erhöht werden.

Zeit und Datum sind vollständig in den ersten SRAM-Zellen in binärer Form abgelegt. Jeder Bestandteil (Sekunde, Minute, etc.) benötigt ein Byte. Insgesamt umfasst dieser Datensatz sieben Bytes. Diese werden zu Beginn des Programms auf einen Startwert gesetzt. Dieser kann mit den Tasten und dem Potenziometer verstellt werden. Tritt DCF77-Synchronisation ein, werden Zeit und Datum überschrieben und die Sekunden auf Null gesetzt.

Das ist der Algorithmus zur Erhöhung um eine Sekunden. Im linken Teil der beiden Fließbilder erfolgt die Erhöhung, im rechten Teil jeweils der Update der LCD. Alle Flussdiagramme gibt es in der LibreOffice-Zeichnungsdatei hier.

Die meisten Erhöhungen sind einfach und simpel. Nur die Berechnung der Tage des aktuellen Monats ist etwas tricky, was wir einem Papst von um die 1500 und seinen Beratern zu verdanken haben.

Bei der Realisierung in Assembler wird das Zeigerreister X (R27:R26) verwendet, das immer dann erhöht wird, wenn eine weitere Komponente erreicht wird.

Die Anzeige der Komponenten auf der LCD beginnt jeweils mit dem Setzen der Ausgabeposition (Zeile, Spalte). Alle Bestandteile außer des Wochentags erfolgen durch Aufruf der Routine LcdDec2, die Bestandteil der LCD-Include-Datei lcd.inc ist und aus einer Binärzahl in R16 eine zweistellige Dezimalzahl macht und auf der LCD ausgibt.

10.4.3.2 DCF77-Signalanalyse

TBD

10.4.3.3 LCD-Betrieb

TBD

10.4.3.4 Einstellen von Datum, Uhrzeit und Weckzeit

TBD

Damit der Benutzer den Wochentag nicht von Hand einstellen muss, gibt es eine Routine, die den Wochentag aus dem eingestellten Datum ermittelt. Rechts ist das Flussdiagramm der Routine dargestellt.

Es ist recht einfach gestrickt und basiert auf dem Wochentag am 1.1.2000, einem Samstag. Für jeden Tag und jedes Jahr (minus 1) wird eins hinzugezählt. Der Versatz durch die Monate ist etwas komplizierter und mit einer Tabelle im Flash gelöst. Bei allen Monaten ab März muss noch Eins hinzugezählt werden, wenn es ein Schaltjahr ist. Bei den Jahren muss noch für jedes Schaltjahr seit 2000, außer für das aktuelle Jahr, noch jeweils Eins hinzugezählt werden.

Am Ende wird so lange 7 von der Zahl abgezogen, bis sie kleiner als 7 ist (Modulo-Berechnung).

Wer mit der Berechnung ein wenig herumspielen spielen will: hier ist der Quellcode im asm-Format.

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