RGB-Dünne-Berg-Uhr mit ATmega16
Hardware, Aufbau, Anwendung und Software für die BCD-Uhr
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AVR-Anwendungen RGB-Dünne-Berg-Uhr mit ATmega16 Hardware, Aufbau, Anwendung und Software für die BCD-Uhr |
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Dies ist der Anzeigenteil der Uhr. Er besteht aus 20 RGB-Leds
mit gemeinsamer Anode und zwei 16-poligen Buchsenleisten, die den
Anzeigenteil mit dem Controllerteil verbinden.
Das hier sind die Spannungen der drei Leds in Durchlassrichtung
bei unterschiedlichen Strömen zwischen 0,5 und 30 mA.
Die Kurven verlaufen sehr unterschiedlich. Bei der roten Led
ist die Spannung am niedrigsten, sie steigt mit dem Strom auch
nur gering an. Die grüne Led hat bei Strömen bis
5 mA eine niedrigere Spannung als die blaue, steigt aber
mit dem Strom steiler an und überholt die blaue, die
weniger steil ansteigende Spannungen aufweist. Die Werte sind
wegen Exemplarstreuungen ungenau.
Dies ist der Prozessorteil mit dem ATmega16. Er steuert mit dem
I/O-Port A fünf Farbkathoden an, mit I/O-Port C weitere
acht und mit I/O-Port D die letzten acht. Die Stromsteuerung
der Led-Kathoden erfolgt durch Widerstände, die sich aus
den unterschiedlichen Durchlassspannungen der drei Farben
ergeben (siehe unten). Die Kathoden-Portpins sind aktiv niedrig.
Dies ist die Anzahl an Leds, die während des Dauers einer
Sekunde über einen ganzen Tag lang angeschaltet sind. Die
teilweise Einschaltung durch Multiplexen reduziert diese Anzahl,
so dass die maximal gleichzeitig eingeschalteten Leds bei allen
Kombinationen auf 10 beschränkt bleibt.
Die Widerstände, wie sie im Schaltbild eingezeichnet sind,
legen den Strom auf 20 mA pro Led-Farbe fest. Die
Maximalströme durch die Leds treten am Ende des Tages,
zwischen 23 und 24 Uhr auf. Das Bild zeigt die sehr
unterschiedlichen Strombelastungen in diesem Zeitraum.
Für die Netzteillast sind neben dem Maximalstrom auch noch
die über längere Zeiträume gemittelte Belastung
wichtig, da sie die Wärmelast von Trafo und Spannungsregler
bestimmen. Das Diagramm zeigt die Minutendurchschnitte über
den gesamten Tag.
Das Netzteil muss folgende Eigenschaften besitzen:
Das hier simuliert das dargestellte Netzteil ohne angeschlossene Last
(siehe die
Power-Supply-Software hier).
Die Spannung am Elko bleibt ohne Last bei deutlich unter 16 V,
deshalb kommen die Elkos mit einer Spannungsbelastbarkeit von 16 V
aus.
Das hier ist die Netzteilspannung bei 220 mA Last, der Maximallast
wührend der höchsten Multiplexphase. Es besteht ausreichend
Lastreserve und der Elko ist großzügig dimensioniert.
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Die 20 RGB-Leds sind auf einer 66*66 mm-Platine angebracht,
die mit vier Schrauben M2,5 von der Innenseite des Gehäuses her
die Leds in den 5 mm-Bohrungen halten.
Die Belegung der 65*55 mm großen Prozessorplatine mit den
Komponenten zeigt das Bild.
Das Netzteil wird auf einer 70x50 mm großen Lochrasterplatine
aufgebaut.
Dem Einbau der Einzelkomponenten in ein 150*75*45 mm
großes Standard-Plastikgehäuse steht nun nichts
mehr entgegen.
Dank der 32 Pins der Stecker-/Buchsen sitzt die
Prozessorplatine huckepack auf der Anzeigenplatine und braucht
keine eigene Befestigung.
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Vor oder nach dem Flashen müssen noch die Fuses des ATmega16
geändert werden, sonst läuft die Uhr im 96-Stunden-Modus
und ein Led-Bit geht nicht. Die entsprechenden Fuses sind im rechten
Bild markiert.
Ist keine der Tasten gedrückt, bleiben alle Leds dunkel.
Die Lampen sollten alle etwa gleich weiß leuchten.
Damit der Multiplextakt immer die drei darzustellenden RGB-Kombinationen
der Multiplex-Bits darstellen kann, sind diese im SRAM in einem 12 Byte
umfassenden Puffer abgelegt. In der Reihenfolge Stunden - Minuten - Sekunden
sind dazu die drei Bytes der Kathodenbits (Null = Kathode angeschaltet,
Eins = Kathode ausgeschaltet) für die Ports A, C und D abgelegt. Die
Leds 0 bis 3 stellen die Einer, 4 bis 6 (Stunden: 5) die Zehner-BCD-Bits
dar. Die Farbzuordnung der einzelnen Bits zu den Kathoden ist jeweils in der
Reihenfolge Blau - Grün - Rot angeordnet, so wie die Portbits jeweils an
die RGB-Leds angeschlossen sind.
Dies ist die Farbkodierung im Register rCol. Die drei untersten Bits sind alle
Eins, wenn die Farbansteuerung abgeschaltet ist (Stunde/Minute/Sekunde = 0)
oder wenn ein darzustellendes BCD-Bit Null ist. In den Stufenfolgen 6/12/18
(bei Stunden) bzw. 15/30/45 (bei Minuten und Sekunden) wechseln jeweils die
Farben der Leds. Die Farbzuordnung gilt jeweils für alle sechs (Stunden)
bzw. sieben (Minuten, Sekunden) Leds in gleicher Weise.
Um die Zeit jeweils in BCD dazustellen, müssen binäre Stunden,
Minuten und Sekunden im Vielzweckregister rmp in BCD im Register rBcd
umgewandelt werden. Dazu kommt der nebenstehend abgebildete Algorithmus
zur Anwendung.
So funktioniert das Zusammenstellen der Multiplex-Bits aus den Farben
in rCol. Dazu wird ein Puffer in den Registern R2:R1:R0 angelegt und
mit Nullen befüllt. Ein Bit-Zähler in rmp wird auf 7
eingestellt.
Das ist der gesamte Algorithmus der Umwandlung der binären
Zeitinformation ab dem Register ZH:ZL (zeigt zu Beginn auf die
Position sDisp, kann sowohl auf eine SRAM-Position als auch ein
Register mit Stunden/Minuten/Sekunden zeigen).
Bedingt durch die vielfältigen Funktionen, die in die
AD-Wandler-Flaggenbehandlung eingebunden sind, ergibt sich ein
umfangreicher Algorhythmus. Noch einfach gestaltet sich der Ablauf
solange die Zeiteinstellung nicht aktiv ist: das MSB der
AD-Wandler-Summe (0..255) wird mit 250 multipliziert und das
16-Bit-Resultat durch vier geteilt (0..15.937). Dieser Wert wird
in den Compare-B-Port des Timers TC1 geschrieben. Der
Compare-B-Interrupt bewirkt bei jedem Eintreten, dass die
Anodentreiber-Ausgänge vorzeitig abgeschaltet werden. Ist
der Wert groß, erfolgt die Abschaltung spät im CTC-Zyklus
und die Leds sind hell (z. B. 15.937 / 16.000 = 99,6% Helligkeit).
Ist der Wert niedrig, sind die Leds die meiste Zeit aus (z. B.
0 = 1 / 16.000 = 0,006% Helligkeit).
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