Construye un Reloj SMD

Fabricación de un Reloj-Cronómetro-Temperatura, encadenando 4 módulos SMD de 7 segmentos con control serie. El controlador de este reloj está construido a partir del micro controlador AT89S52, con encapsulado TQFP de 44 pines (SMD).

Hora en el display

ESQUEMAS

CPU: Reloj SERIE

Display: Reloj SERIE

Módulo RTC: DS1302

Las comunicaciones entre el micro-controlador y el chip de reloj DS1302 se realizan mediante 3 hilos:

  1. Reloj (SCLK)
  2. Entrada/Salida de datos (I/O)
  3. Habilitación (CE)
Módulo RTC: DS1302
Módulo RTC: DS1302

El módulo RTC ya incluye el cristal de cuarzo que necesita el chip DS1302, y una pila de 3V para mantener sus datos cuando falta la alimentación. La conexión entre este módulo y la CPU es de 5 hilos, 2 de la alimentación y 3 de control.

Comunicaciones con DS1302
Comunicaciones con DS1302

Sensor de temperatura: DS18B20

El control de este sensor de temperatura es bidireccional y se realiza mediante un sólo pin, así su encapsulado sólo tiene 3 pines: VCC, GND y Datos.

Sensor: DS18B20
Sensor: DS18B20

El DS18B20 se puede comprar con encapsulado normal, su aspecto es el de un transistor, o ya montado dentro de una cápsula de acero inoxidable. El encapsulado en acero inoxidable permite sumergir el sensor en líquidos, y también es muy aconsejable para utilizarlo en el exterior.

El chip DS18B20 es un sensor temperatura digital,  su resolución es configurable entre 9 y 12 bits. Por defecto, de fábrica está configurado con 12 bits. A máxima resolución, sus últimos 4 bits se corresponden con las lecturas decimales de: 0,5°/ 0,25° / 0,125° / 0,0625°.  Puedes ver más detalles técnicos de este sensor en el siguiente artículo:

Firmware Reloj LED #2 (Temperatura, Hora de Verano)

FUENTE DE ALIMENTACIÓN

Para alimentar este reloj se necesita una fuente de alimentación de 12 VDC, con una corriente mínima de 200 mA. La solución más barata y eficaz, es incluir dentro de la caja del reloj una pequeña fuente de alimentación conmutada de 12V / 400 mA.

Fuente conmutada 12V

CONFIGURACIÓN

Para cambiar los datos de fecha, hora, cronómetro y el resto de parámetros de configuración, se utilizan dos pulsadores:

  1. MODE
  2. PLUS

Para modificar los datos del reloj, seguir el siguiente diagrama de configuración:

Configuración RELOJ SERIE

SELECCIONAR MODO: RELOJ/CRONÓMETRO

El modo de funcionamiento RELOJ/CRONÓMETRO se determina durante la fase de arranque, mientras se está mostrando en el display  un mensaje de texto rotando, en la que se muestra la versión del firmware. Si no se toca ningún pulsador, el modo de funcionamiento será: RELOJ. Para cambiar a modo CRONÓMETRO en cualquier momento, seguir los siguientes pasos:

  • Pulsar los dos botones a la vez: RESET
  • Cuando aparezca el mensaje rotante, mantener pulsado el botón 1 (MODE)

Cronómetro en el display

Una vez que que hayamos entrado en el modo CRONÓMETRO, ya podremos configurar sus parámetros de funcionamiento. Estos valores se guardarán en el chip de memoria del reloj (DS1302), y estos serán los nuevos valores de arranque del cronómetro. Al igual que sucede con los parámetros del reloj, tendremos que tener conectada la pila de tampón en el chip, si no queremos perder todos los datos cuando falte la alimentación.

Detalles de la presentación del Display

Cuando se está funcionando en modo RELOJ, es posible seleccionar entre 3 tipos de presentación. La información que muestra el display se cambia mediante una breve pulsación del botón 2 (PLUS):

  1. Hora / (*) Alterno: Hora y Temperatura
  2. Temperatura
  3. Alterno: Hora, Fecha y Temperatura

(*) El modo alterno de la presentación 1ª, se muestra en caso de que se active la alarma de temperatura en el menú de configuración. En caso contrario, la presentación 1ª mostrará la hora de forma permanente.

Temperatura en el display

Cuando se active el modo de presentación alterno, la temperatura se mostrará de forma síncrona con el reloj, y lo hará cada 5 segundos. Entre el segundo 5 y el 55 de cada minuto, nunca se mostrará en el segundo ‘0’ de cada minuto. La temperatura sólo aparecerá durante un segundo de cada 5, en total 11 veces en cada minuto.

Alarma de Temperatura

La lectura del sensor de Temperatura se realiza cada 10 segundos. De manera que entre dos presentaciones sucesivas de 5 segundos, sólo una de las lecturas será en tiempo real. Cuando está utilizando la presentación 1ª en modo alterno, los segundos acabados en ‘0’ mostrarán la temperatura leída anteriormente, excepto en el segundo ‘0’ de cada minuto que no se muestra. En el caso de que la temperatura sobrepasara alguno de los dos umbrales de alarma, el aviso acústico se realizará cuando el valor acaba de ser leído. Es decir, la alarma de temperatura sólo sonaría en los segundos acabados en ‘5’.

Alarmas horarias

El reloj permite configurar 2 alarmas horarias, sin prioridad entre ellas pero siguiendo este criterio: Cuando una de las dos alarmas se dispara, mientras permanezca en su periodo activo, la otra alarma nunca podrá dispararse. 

Las dos alarmas horarias pueden valer para los 7 días de la semana, o estar limitadas a los 5 días laborables, quedando inactivas todos los Sábados y Domingos. En modo RELOJ, el punto decimal del dígito de la derecha (esquina inferior derecha del display) esta asociado a la alarma horaria. Las alarmas horarias pueden configurarse para que suenen una sola vez (1 minuto si no se silencia antes) o con repeticiones. Las repeticiones se realizarán cada 5 segundos. Para silenciar el sonido de una alarma, realizar una breve pulsación en el botón 2 (PLUS). Si después de sonar una alarma se quieren anular todas sus repeticiones sin cambiar la configuración del reloj, es necesario pulsar los dos botones a la vez (RESET).

Estados posibles del LED indicador de alarma horaria:

  • APAGADO: No existe ninguna alarma horaria en las próximas 24 horas
  • PARPADEANDO: Existe alguna alarma horaria dentro de las próximas 24 horas.
  • FIJO: Alarma ACTIVA, sonando o dentro del periodo de repetición.

Hora: Verano/Invierno

En algunos países existen dos tipos horarios:

  1. Horario estándar, el que corresponde con el huso horario (Horario de invierno).
  2. Horario de verano:

El cambio de hora se aplica una vez al año, haciendo que del horario estándar (o de invierno) se pase al horario de verano. Aunque la primera vez que se aplicó este cambio de hora fue durante la Primera Guerra Mundial, dejo de aplicarse hasta la crisis del petróleo de 1973. El objetivo es el de aprovechar mejor la luz solar, consumiendo menos electricidad.

Cambios horarios (Invierno/Verano)
Cambios horarios (Invierno/Verano)

HORARIO DE VERANO

Último domingo de MARZO:  A las 2:00 AM  se adelanta a las 3:00 AM

… se adelante 1 hora el reloj

HORARIO DE INVIERNO

Último domingo de OCTUBRE: A las 3:00 AM  se atrasa a las 2:00 AM

… se atrasa 1 hora el reloj

FIRMWARE

El firmware de este reloj se programa una vez montado el micro controlador (AT89S52) en su circuito impreso, a través de su interface de programación serie ICSP. Lo ideal sería utilizar un programador que tuviera dicho interface, pero si no lo tienes, puedes hacerlo con ARDUINO.

Programador ICSP con ARDUINO

El archivo que necesitas para programar este reloj (firmware), lo puedes descargar de forma gratuita desde el siguiente enlace:

J_RPM_v1_RELOJ_SERIE.HEX

FABRICAR LA CAJA CON UNA CNC

Archivos para cortar la madera tipo DM de 10 mm, en una CNC, y fabricar la caja de este reloj:

Caja_CNC_RELOJ_.zip

Piezas cortadas para montar la caja

CIRCUITOS IMPRESOS (PCB)

Archivos GERBER para fabricar el PCB de la CPU:

PCB_CPU_RELOJ.zip

PCB: CPU del Reloj SERIE

Archivos GERBER para fabricar el PCB de la CPU (v2):

PCB_CPU2.zip

PCB: CPU del Reloj SERIE (Modificada)

En esta versión se corrige el tamaño de los taladros, se incluye la posibilidad de utilizar dos tipos de conector en sus salidas y se añade una toma auxiliar de +5V

Archivos GERBER para fabricar el PCB del Display ( 1 dígito de 7 segmentos):

PCB_Display_RELOJ.zip

PCB: Display 7 segmentos serie

Si quieres ver los detalles de fabricación, configuración y puesta en marcha de este reloj, echa un vistazo al siguiente video:

 

Reparar chip DS14287 (RTC)

Sustitución de la pila interna del chip RTC (Real Time Clock), modelo DS14287 fabricado por DALLAS. Esta reparación no está contemplada por el fabricante, porque el chip contiene un segundo encapsulado de resina epoxi: polímero termoestable que se endurece cuando se mezcla con un agente catalizador o endurecedor. Cuando se agota la pila interna, el chip deja de ser útil, porque pierde la hora y toda la información almacenada en su RAM cuando se desconecta la alimentación.

Controlador de riego con chip RTC

Hace años hice un controlador para temporizar los tiempos de riego, gestionando la activación de 4 electroválvulas. Este controlador utiliza como sistema patrón de tiempo el chip RTC de DALLAS, modelo DS14287. Este componente está doblemente encapsulado, incluyendo en su interior el cristal de cuarzo (patrón de tiempo) y una pila de tipo botón de 3V (1632). Según los datos del fabricante, esta pila puede mantener su carga durante 10 años aproximadamente. El problema es que ese tiempo se cuenta a partir de la fecha de fabricación, y como este chip es un poco antiguo, es muy posible que cuando lo compras ya hayan pasado varios años almacenado en los cajones del vendedor. Cuando se agota la carga de la pila interna, es necesario sustituir el chip RTC por otro nuevo. Cuando le falta la alimentación al chip, se pierde la información de la hora y todos los datos almacenados en su memoria RAM (interna). Con el fin de detectar este problema, el chip dispone de un registro de sólo lectura (Register D), que permite conocer cuando a caído la tensión de su batería interna por debajo del umbral mínimo.

Registro VRT del chip RTC

En este programador de riego, siempre que se conecta la alimentación el firmware comprueba el estado del bit VRT, dentro del registro D. Cuando se detecta que la batería está agotada (VRT=0), el display muestra un mensaje de error y se detiene el arranque del controlador.

Control de riego con avería

Cambiar la pila del chip RTC

Desmontando el chip RTC del equipo

El cambio de pila del DS14287 no está contemplado por el fabricante del chip, y cuando se agota la pila hay que sustituir el componente. La única opción que nos queda si queremos reutilizar de nuevo este chip RTC, es cortar con cuidado la cubierta del segundo encapsulado (resina epoxi) y sustituir la pìla agotada por otra nueva.

Cortando la carcasa del chip RTC

Como este proceso es muy agresivo, es conveniente proteger adecuadamente los terminales de conexión del chip antes de comenzar el trabajo. Con un taladro pequeño y un disco de corte, se puede ir eliminando la resina epoxi del segundo encapsulado. Este trabajo hay que realizarlo con las protecciones debidas: guantes, gafas de protección y mascarilla. También es conveniente realizarlo en un lugar ventilado y colocar un aspirador cerca de la zona de trabajo (la resina epoxi produce mucho polvo). Cuando ya tenemos a la vista la pila y descubierto todo su contorno, con la ayuda de un formón de carpintero podemos golpear entre el borde de la pila y el chip, para despegar el adhesivo y soltar la pila.

DS14287 sin pila

A partir de aquí podemos hacer dos cosas, soldar una pila nueva y sellar de nuevo el chip, o conectar y pegar un soporte para pilas de tipo botón. A pesar de que la segunda opción permitiría sustituir la pila cuando se agota, yo opté por la primera opción. En lugar de conectar una pila 1632, utilicé una 2032 de diámetro y capacidad ligeramente superior a la original, porque no tenía la 1632 y la 2032 apenas sobresale un poco.

Soldando la pila en el chip RTC

Si opté por soldar la pila, es porque 10 años es mucho tiempo y no creo que tenga que volver a cambiar la pila. Por otra, pienso que las soldaduras son siempre más fiables que los contactos de un portapilas. El sellado lo hice con adhesivo termofundible, en  lugar de utilizar adhesivo de dos componentes (epoxi). De esta manera, en caso de que necesitara en el futuro sustituir la pila, con un soldador de aire caliente podría eliminar con facilidad todo el adhesivo.

IRotulación del chip RTC reparado

Para finalizar, antes de montar de nuevo el chip en el zócalo, es conveniente marcar con un rotulador la posición del pin 1 y escribir su referencia sobre el adhesivo.

Configurando el control de riego

En caso de que todo haya salido bien, al montar de nuevo el chip el equipo debería funcionar de nuevo. Lo único que se tendría que hacer es poner en hora el reloj, y configurar todos sus parámetros de funcionamiento.

Caja a medida con CNC

Diseño y fabricación de una caja a medida, cortando las piezas con la ayuda de una fresadora digital (CNC). El diseño de las piezas lo hice con el software SketchUp. Tuve que corregir el archivo que genera SketchUp para poder utilizarlo en la CNC. Para comprobar el código ‘G’ y corregir el archivo, utilicé el simulador por software CAMotics

Con el fin de controlar los display’s de 7 segmentos SMD que tengo, he mandado fabricar otro circuito impreso para montar la CPU.

PCB de la CPU

Esta CPU está basada en el micro-controlador AT89S52 de ATMEL. Como este micro-controlador se puede programar sin desmontarlo del circuito impreso, a través de su interface ICSP, he elegido el encapsulado de tipo SMD. El circuito impreso tiene una altura muy parecida a la del  display de 7 segmentos, y la idea es la de fabricar una caja de madera a medida, para construir un display con 4 dígitos.

SketchUP

Para cortar las piezas de madera con precisión, he utilizado una fresadora digital (CNC). Para dibujar las piezas a medida y poder exportar los datos a la CNC, he utilizado el software SketchUp.

Software SketchUp

A pesar de que este software funciona muy bien, he encontrado un problema a la hora de generar los archivos de código ‘G’. Los archivos contienen una serie de instrucciones adicionales que dañan las piezas a fabricar. Para localizar el lugar exacto donde se encuentran estas instrucciones para eliminarlos, he utilizado otro software que emula el funcionamiento de la CNC.

CAMotics 

El software CAMotics permite la ejecución del código ‘G’ de forma visual, y esto facilita la localización de las instrucciones que se deben eliminar.

Software CAMotics

El software permite la edición de los archivos y su posterior visualización, para comprobar que los cortes que hará la CNC sean los correctos.

Construcción de la caja

Después de la fase de diseño de la caja y conversión de sus datos en código ‘G’, el trabajo de corte y fresado de todas las piezas lo realiza la CNC. Si queremos obtener un buen acabado y precisión, es importante que los cortes se realicen en capas, no en una sola pasada.

Fresado de la caja

También es importante incluir unas pequeñas zonas en cada cara de las piezas, en las que la fresadora no realice el corte por completo. Estos pequeños puntos de sujeción evitarán que se muevan las piezas de su estructura durante el corte, evitando su desplazamiento y marcado por la fresa.

Montaje de la caja

Una vez cortadas todas las piezas que componen le caja, incluido su frontal de metacrilato, la pegamos con cola blanca (dejando la tapa lateral derecha sin pegar). La tapa lateral derecha irá sujeta con 2 tornillos, y es la que nos dará el  acceso al montaje y desmontaje de todos sus componentes en el interior. Para obtener un buen acabado, se sellan las juntas de todas las uniones que van pegadas, con cola blanca y serrín de la misma caja, suavizando todas las aristas con una lija especial para madera.

Ajuste de los PCB's en la caja

Para terminar se pinta la caja en color negro mate, con pintura en spray, y se comprueban los soportes colocando los circuitos impresos en su lugar y cerrando la caja.

 

Ganador del sorteo

Ganador del sorteo de un PCB con tecnología SMD, para montar un display de 7 segmentos con control serie.

PCB display de 7 segmentos serie

El circuito impreso sorteado es el que se mostró en el video anterior, el cual incluye el circuito integrado TPIC6B595 -Shift Register- ya montado en el PCB.

Resultado del sorteo

El sorteo se realizó entre los suscriptores que hicieron un comentario en el video anterior, utilizando el software online: You2Pick