Следовательно нам потребуется два напряжения питания: стабилизированное +5 В и нестабилизированное (пусть будет +12 В). Управлять разрядами индикаторов мы будем от транзисторных ключей с преобразованием уровня (когда на выходе МК уровень +5 В, ключ подает +12 В на анод индикатора), а сегменты от простых транзисторных ключей — при уровне +5 В вывод сегмента коммутируется на «землю» (так как питание индикаторов повышенное, то, к сожалению, управлять прямо от выводов процессора не получится). В обоих случаях управление получается в положительной логике: включенному индикатору и сегменту соответствует логическая единица (что совершенно не принципиально, но удобно для простоты понимания работы схемы). Резисторы в управлении сегментами примем равными 470 Ом, тогда пиковый ток через сегмент составит примерно 20 мА, а средний — 5 мА (при динамическом управлении 4-мя разрядами). Всех «восьмерок» у нас быть не может, максимальное число одновременно горящих разрядов равно 24 («20:08»), потому общее максимальное потребление схемы составит 24 х 5 = 120 мА, плюс -10 мА схема управления, итого 130 мА.
Теперь обязательно подумаем о том, чтобы часы продолжали идти при сбоях в электрической сети. Нет ничего ужасней бытового прибора, который не может сохранить установки даже при секундном пропадании напряжения питания, вероятно, вы не раз с такими мучились. Конструкторов, делающих музыкальные центры, магнитофоны, микроволновые печи и электроплиты, в которых часы при малейшем сбое в подаче электроэнергии приходится устанавливать заново, следует расстреливать без суда и следствия.
Режим энергосбережения с глубоким «засыпанием» МК не подходит, поскольку тогда все «замирает» и его применение обессмысливается, ведь нам нужно, чтобы часы не просто сохраняли значение времени, а продолжали идти и при отключении от сети. При питании в пределах 4–5 В МК типа 2313 потребляет около 5 мА, так что можно рассчитывать на непрерывную работу от щелочной («алкалайновой») батарейки типа АА с емкостью порядка 2 Ач в течение не менее 2–3 недель. Для обеспечения работы понадобятся три таких элемента, соединенных последовательно, тогда их общее напряжение составит 4,5 В.
Заметки на полях
В устройствах на специализированных микросхемах RTC можно использовать режимы энергосбережения МК, и дело обстоит значительно лучше: часы идут отдельно до тех пор, пока есть хоть какое-то питание (типичное минимально допустимое значение для RTC — 2 В). В результате при грамотном проектировании можно обеспечить время работы от батарейки в сотни раз большее, чем у нас. Но мы все же пока ограничимся простейшим вариантом — настольные часы и не предназначены для работы в автономном режиме, а для того, чтобы перенести их из комнаты в комнату или «пережить» отключение электричества на пару часов, возможностей нашей системы вполне хватит.
Для обеспечения такого режима нам понадобится монитор питания — схема, которая отслеживает наличие входного напряжения, и переключатель с сетевого питания на батарейки. Чтобы сделать схему совсем «юзабельной», добавим также небольшой узел для сигнализации о необходимости замены резервной батарейки — пусть это будет наше ноу-хау, т. к. в подобных сетевых приборах такого почти ни у кого нет. Хотя есть специальные микросхемы, которые «мониторят» питание, и мы будем их в дальнейшем использовать, здесь в целях максимального упрощения схемы мы без них обойдемся. Схему такого узла удобно реализовать, «не отходя от процессора», на встроенном компараторе. Но тогда нужно задействовать аж 18 выводов (12 под индикацию, 2 кнопки, 2 входа компаратора, 1 для его выхода и еще 1 для монитора питания), а ставить процессор большего размера только для этой цели не хочется. И еще больше не хочется добавлять какие-то внешние схемы — все только потому, что мы захотели контролировать батарейку, которая, может быть, сядет этак лет через пять?
Поэтому мы поступим так: задействуем один из входов компаратора также и под вторую кнопку, как обычный вывод порта. А на второй вход компаратора «повесим» дополнительно функцию монитора— сигнализировать о пропадании внешнего питания. Остается придумать, как обеспечить сигнализацию разряда батареи — тут мы сделаем просто: пусть разделительный символ (двоеточие) мигает, когда все нормально, а когда батарея разряжена — горит все время. Таким образом мы получим наиболее экономичную схему с минимумом внешних элементов.
Теперь поглядим на схему разводки выводов AT90S2313 (рис. 14.1) и выберем, что и к чему мы будем коммутировать.
Рис. 14.1.Разводка выводов МК AT90S2313 (функции показаны применительно к нашей задаче)
Ко входу внешнего прерывания INT1 (7) удобно подключить кнопку, которая будет вводить часы в режим установки. От порта D (портов А и С в этом микроконтроллере нет) осталось шесть разрядов, четыре из которых мы задействуем под управление разрядами индикаторов: PD0 (2), PD1 (3), PD2 (6) и PD4 (8). Из восьми выводов порта В два заняты под входы компаратора AIN+ (выв. 12 — к нему мы подсоединим опорный источник для контроля батареи и также с него будем снимать информацию о состоянии питающего напряжения и второй кнопки) и AIN- (выв. 13 — к нему подключим батарейку). Для управления миганием разделительного двоеточия удобно использовать вывод ОС1 (15), который управляется автоматически от таймера (см. главу 12). Под управление сегментами мы задействуем оставшиеся выводы: PD5 (9), PD6 (11), РВ2 (14) и РВ4—РВ7 (16–19). То, что выводы для управления индикаторами расположены не по порядку — это, конечно, не здорово, нам фактически придется управлять каждым разрядом по отдельности, но обойдемся.
Вот, собственно, и все предварительные наметки, можно рисовать схему платы управления (рис. 14.2). Схема проста, правда, некоторую громоздкость ей придают ключи управления индикаторами, однако все равно ее можно без труда уместить на плату примерно 70x100 мм, а при некоторых усилиях — и на меньшую.
Рис. 14.2.Схема часов на МК AT90S2313 (плата управления)
Игольчатый разъем XI типа IDС с 10 контактами— программирующий (в главе 13 мы договаривались, что я буду разводить его в соответствии с 10-контактным ISP-программатором, там же подобный разъем описан подробнее, см. рис. 13.4). Все остальные внешние соединения, кроме питания, — через такой же разъем, но с 16 контактами, два из которых— «земля» и питание.
Подробности
Так как игольчатые разъемы типа IDС с шагом 2,54 мм встречаются в практике изготовления микроэлектронных устройств довольно часто, то стоит разобраться в их маркировке. Начнем с того, что наименование IDC в случае штыревых разъемов для установки на плату относится только к разъемам в кожухе с ключом (именно такие используются для подсоединения жесткого диска в ПК). Бескорпусные подобные разъемы носят название PLD для двухрядных (или PLS для однорядных) типов и более удобны в радиолюбительской практике, т. к. длинные разъемы легко «ломаются» в нужном месте, обеспечивая необходимое число выводов (правда, при этом приходится как-то обозначать на плате первый вывод, чтобы не перепутать ориентацию при включении, см. рис. 13.4). Разметка на плате для обоих типов разъемов (с кожухом и без) одинакова, т. к. все равно приходится учитывать место, которое займет кабельная розетка при ее подсоединении, и мы в этой книге для определенности остановимся на IDC-типе. Разумеется, розетка для установки на плоский кабель (с использованием соответствующего инструмента), может иметь только фиксированное число контактов (из ряда 6, 10, 14, 16, 20, 22, 24, 26, 30, 34, 36, 40, 44, 50, 60…), что нужно учитывать при проектировании.
Цифра после обозначения разъема (IDC-10 или PLD-10), естественно, обозначает число контактов разъема, а следующая буква символизирует его конфигурацию: М (male, «папа») для штыревой части, и F (female, «мама») — для гнездовой. Далее может следовать еще одна буква, которая обозначает ориентацию: S для прямых выводов (разъем перпендикулярен плате), R для повернутых под углом 90° (разъем параллелен плате). Таким образом, приведенное на схеме рис. 14.2 обозначение IDC-10MS означает штыревой («папа») разъем в кожухе с ключом, с 10 прямыми выводами. Соответствующая этому разъему кабельная часть обозначится, как IDC-10F. Бескорпусные PLD-разъемы бывают, естественно, только штыревые, потому для них буквы М и F не указываются (а повернутые под углом 90° дополняются буквой R).
Обратите внимание, что программирующие выводы (кроме Reset) здесь работают в двояком режиме. В нормальном режиме эти выводы работают как выходы на достаточно низкоомную (5,1 кОм) нагрузку. Не помешает ли это процессу программирования? Нет, не помешает— такая нагрузка для программатора вполне приемлема. Более того, «чистые» (нигде не задействованные) выводы программирования все равно следует нагружать «подтягивающими» резисторами, иначе не исключены сбои (об этом мы говорили в главе 12). Здесь же роль гасящей помехи нагрузки играют базовые резисторы ключей управления транзисторами, и дополнительные меры не требуются.
Плату индикации делаем отдельно (рис. 14.3). На ней мы располагаем четыре индикатора и две управляющих кнопки (о них далее), а также в точности такой же разъем IDC-16, как и на плате контроллера, причем он должен находиться на стороне платы, противоположной индикаторам. Разводка у него также должна быть идентичной. Эти разъемы мы соединим плоским кабелем.
Рис. 14.3. Схема часов на МК АТ90S2313 (плата индикации)
Изготовить такой плоский кабель с разъемами IDC-16F самостоятельно без специального инструмента практически невозможно, потому либо придется такой инструмент приобрести, либо попросить вам установить разъемы на кабель в любой фирме, которая занимается сборкой и ремонтом компьютеров. Можно употребить и готовый кабель даже с большим числом линий, если на плате установить разъемы PLD (т. е. при отсутствии кожуха). Это решение не очень красивое, т. к. при этом кабельная часть разъема будет выходить за пределы ответной на плате, и это нужно предусмотреть в разво