Digitaluhr mit ATmega16

• Mit Standard-Quarz stabilisiert,
• Betrieb über Netzversorgung, bei Netzausfall Pufferung von Uhr und Alarm mit Akkupack,
• einfache Bedienung mit drei Tastern,
• Doppelanzeige für Uhr- und Alarmzeit,
• schnelle Einstellung der Uhr- und Alarmzeit mit Potentiometer,
• grobe Helligkeitssteuerung über Fototransistor,
• Alarm-Wiederholung alle fünf Minuten mit Ein-Knopf-Bedienung,
• Alarm über programmierbare Melodie im EEPROM,
• ISP-Schnittstelle zum Programmieren in der Schaltung.

0 Inhalt

• 1. Hardware
  • 1.1 Prozessor-Hardware
  • 1.2 Anzeigen-Hardware
• 2. Bedienung der Tasten
• 3. Software
  • 3.1 Kommentierter Quellcode
  • 3.2 Melodieprogrammierung
  • 3.3 Fuse-Einstellungen

1 Hardware

1.1 Prozessor-Hardware

• dem Prozessor ATmega16 mit dem Quarz 2,457600 MHz und den beiden Anlaufkondensatoren,
• dem ISP10-Interface-Wannenstecker zum Programmieren in der Schaltung,
• den vier Anodentreibern mit den PNP-Transistoren BD238,
• den Ports PC und PD als Kathodenansteuerung für die Displays,
• den AD-Wandler-Anschlüssen für das Einstellpotentiometer und die Umgebungslichtmessung,
• dem Lautsprecher für die Alarmierung und dem Elko für die Gleichstromabtrennung,
• der zweireihigen Buchsenleiste zum Aufstecken der Displayeinheit.

• der Netzversorgung über den Trafo mit Primärabsicherung,
• der Gleichrichtung mit zwei Dioden und dem Siebkondensator,
• der Spannungsregelung mit 7805 und den beiden Tantal-Elkos zur Unterdrückung von Schwingneigung,
• der Schottkydiode und dem Ausgleichskondensator zur Prozessorversorgung,
• der Notstromversorgung mit dem NiMH-Akku, der Einspeisung in die Prozessorversorgung über eine Diode und die Kompensation der Selbstentladung aus der ungeregelten Gleichspannung über einen Widerstand und eine Diode

1.2 Display-Hardware

• vier großformatigen Siebensegmentanzeigen zur Anzeige der Uhrzeit,
• vier kleinen Siebensegmentanzeigen zur Anzeige der Weckzeit,
• den drei Tastern für die Bedienung,
• dem Potentiometer zum Einstellen von Uhr- und Weckzeit,
• dem Fototransistor zum Messen der Umgebungslichtstärke,
• den Widerständen zur Strombegrenzung der Displaysegmente,
• der zweireihigen Winkelsteckerleiste zum Aufstecken der Einheit auf die Prozessorplatine.

2 Bedienung der Tasten

3 Software

3.1 Software Source

1. Anzeigen und Anzeigenmodi
   • Die obere, große 7-Segmentanzeige zeigt die Uhrzeit,
   • die untere, kleine 7-Segmentanzeige zeigt die Weckzeit an,
   • der obere Doppelpunkt blinkt im Sekundentakt,
   • der untere Doppelpunkt blinkt, wenn die Weckfunktion aktiviert ist und ist dauernd an, wenn sie deaktiviert ist.
2. Display Multiplex
   • Die Displayansteuerung verwendet Timer/Counter 1 im CTC-Modus.
   • Alle 5 ms erfolgt ein Interrupt, wenn TC1 den eingestellten obersten Wert erreicht hat.
   • Die vier Anzeigesegmente werden alle 20 ms aufgefrischt, die Multiplex-Frequenz liegt bei 50 Hz.
   • Das aktuelle Segment wird zuerst abgeschaltet, der Zeiger auf die SRAM-Position erhöht und der SRAM-Inhalt an dieser Position in den Port C geschrieben.
   • Der SRAM-Inhalt an der Zeigerposition +4 wird gelesen und in den Port D geschrieben.
   • Dann wird das zugehörige Portbit für den korrekten Anodentreiber aktiviert (=0).
3. Display dimmen
   • Die Dimmfunktion erfolgt mit dem Compare Match Interrupt B von TC1.
   • Der Compare-Match-Wert wird aus der AD-Wandlung des Fototransistors ermittelt.
   • Wird dieser Wert erreicht, werden beim Interrupt die Anodentreiber abgeschaltet.
   • Die Auswertung und der Wechsel des Compare Match Wertes wird nur in langen Intervallen vorgenommen, damit das Display nicht flackert.
4. Uhrzeit und Alarm
   • Die Zeitbestimmung erfolgt ebenfalls mit TC1 im 5-ms-Rhythmus. Dazu wird Compare-Match A verwendet, um die Interrupt-Service-Routine für das Display-Multiplexen nicht zu überfrachten.
   • In der Interrupt-Service-Routine wird ein auf 200 gesetzter Zähler heruntergezählt und bei Erreichen von Null die Sekundenflagge gesetzt und der Zähler neu gestartet.
   • Außerhalb der Service-Routine wird die Zeit um eine Sekunde erhöht und nach 60 Sekunden der Minutenzähler erhöht, nach 60 Minuten auch der Stundenzähler.
   • Wenn der Alarm aktiviert ist, wird bei Gleichheit von Uhr- und Weckzeit der Alarm eingeschaltet.
5. Taster
   • Die Taster werden nach jedem Interrupt, also etwa alle 5 ms abgefragt. Ist eine bestimmte Taste für mindestens 15 ms aktiviert (Portbit = 0), wird sie gespeichert.
   • Ist für 15 ms keine der Tasten mehr aktiviert, wird die zuletzt gespeicherte Taste ausgeführt (Entprellen).
   • Die folgende Tabelle gibt an, welche Tasten bei den verschiedenen Modi wie reagieren:
     
     

     Modus	Taste	Aktion
     Normal	Schwarz	Alarm aktivieren/deaktivieren
     	Rot	Starte Einstellung der Zeit
     	Weiß	Startet Einstellung der Alarmzeit
     Zeiteinstellung	Schwarz	Breche Neueinstellung ab
     	Rot	Speichere eingestellte Zeit (Stunde, Minute) ab
     Alarmzeiteinstellung	Schwarz	Breche Neueinstellung ab
     	Weiß	Speichere eingestellte Weckzeit (Stunde, Minute) ab, bei Minuteneinstellung Aktivierung des Alarms
     Alarm	Schwarz	Beende Alarm, deaktiviere Alarm und stelle ursprüngliche Weckzeit wieder ein
     	Rot	Beende Alarm, stelle Alarmzeit auf fünf Minuten später

6. AD-Wandlung
   • Der AD-Wandler läuft mit einem Vorteiler von 128, misst wechselweise zwei Kanäle und wird mit Interrupts bedient.
   • Die Analogspannungen am Potentiometer (Kanal ADC0) und am Kollektor des Fototransistors (Kanal ADC1) werden gemessen, linksbündig ausgelesen und die oberen 8 Bit zu einer 16-bittigen Summe addiert.
   • Wenn die Ergebnisse aus 256 Messungen aufsummiert sind, wird das oberste Byte der Summe übergeben und eine Flagge gesetzt.
   • Außerhalb der Serviceroutine werden die Ergebnisse von
     • ADC0 in Stunden bzw. Minuten umgerechnet und Uhr- bzw. Weckzeit entsprechend gesetzt, wenn Zeit- oder Weckzeiteinstellung aktiviert ist,
     • ADC1 in die Einstellung des Dimmers umgewandelt (Wert von Compare Match B) setzen).
7. Weckalarm
   • Der Timer/Counter TC0 wird als programmierbarer Niederfrequenzgenerator betrieben.
   • Der Vorteiler ist auf 8 eingestellt, der Timer arbeitet im CTC-Modus mit OCR0 als CTC-Wert.
   • Der Portausgang arbeitet im Toggle-Modus, so dass OCR0 die Dauer einer halben Schwingung angibt.
   • Mit OCR0-Werten zwischen 255 und 16 sind NF-Frequenzen von 600 bis 9600 Hz erzeugbar.
   • Ein Interrupt bei Erreichen des Wertes OCR0 löst ein Herunterzählen eines Zählers für die Tondauer aus.
   • Ist das Ende der Tondauer erreicht, wird der nächste Ton und seine Dauer aus dem EEPROM gelesen, die Dauer umgerechnet und der nächste Ton abgespielt.
   • Ist der Ton und seine Dauer gleich Null, wird der Zähler gestoppt und der Toggle-Ausgang deaktiviert.

3.2 Melodienprogrammierung

1. Die Melodie ist als Tabelle im EEPROM-Speicher abgelegt.
2. Jede Note belegt zwei Speicherplätze: die erste kodiert die Tonhöe und ist als Teilerrate für den Timer im CTC-Mode angegeben, die zweite gibt die Tondauer an und ist als Anzahl Timerdurchläufe, geteilt durch 32, angegeben.
3. Sie beginnt an der Adresse 0000 im EEPROM und endet mit der Kombination 0,0 als Endezeichen.
4. Da der ATmega16 512 Byte EEPROM mitbringt, kann die Melodie maximal 255 Noten umfassen (512 / 2 - 1).
5. Die Kodierung im Quellcode beginnt mit "e;.eseg"e;. Die Notentabelle für die Tonleiter reicht von E2 (659 Hz) bis C5 (4186 Hz), sie sind als Konstanten cfxx definiert.
6. Für die einzelnen Noten sind die CTC-Werte als Konstanten ccxx berechnet.
7. Die Dauer des Tons als Anzahl CTC-Durchläufe sind als Konstanten cdxx so berechnet, dass für alle Töne zulässige Werte als Byte resultieren.
8. Aus diesen Konstanten ccxx und cdxx wird die Musiktabelle zusammengestellt (Zeilen mit "e;.db"e; am Ende des Sourcecodes).
9. Das beim Assemblieren des Quellcodes erzeugte EEPROM-Hex-File "e;digiclock.eep"e; muss nach dem Flashen des Prozessors in das EEPROM geschrieben werden.

3.3 Fuse-Einstellung