Nuevo PCB + Sorteo

Diseño de un nuevo circuito impreso con 2 dígitos de 7 segmentos, LED SMD, incluyendo los dos puntos separadores y el punto decimal. Este circuito impreso es compatible con el anterior de un sólo dígito que utilicé en el ‘Reloj SMD’. Así se pueden utilizar ambas placas en el mismo montaje y construir cualquier tipo de display, sin la necesidad de tener que pegar más diodos en el PCB.

Construye un Reloj SMD

Reloj serie con el nuevo PCB

Display de 4 dígitos

El display del último reloj que hice, estaba construido con 4 circuitos impresos  de un dígito de 7 segmentos. Cada uno del los dígitos permite el control de encendido de un punto decimal, el cuál se incluye en cada PCB. Sin embargo, este reloj utiliza además del punto decimal un separador central, formado por dos puntos LED. Como es lógico, para poder controlar 2 signos es necesario utilizar la salida del control decimal de 2 dígitos. Por otra parte, en los PCBs no estaba contemplada la posibilidad de montar los dos puntos separadores. La solución fue la de colocar 2 LED entre las dos placas centrales, pegando uno en cada tarjeta.

Pegar LED en el display

Ambos LED van conectados en serie. El ánodo de esta serie, como es el punto común, va conectado con la alimentación al +12V.

Cableado LED

El cátodo de la serie lo tuve que cablear hasta la salida de control del punto decimal del dígito anterior (el punto decimal del dígito de la izquierda no se utiliza en este reloj).

Nuevo PCB

A pesar de que la solución que tomé es válida, no queda muy elegante hacer semejante ‘engendro’ en un diseño nuevo. Al final decidí hacer otro circuito impreso, con los dos puntos además del punto decimal, y que fuera totalmente compatible con los circuitos impresos que ya tenía fabricados.

PCB: 2 dígitos de 7 segmentos

Este nuevo circuito impreso contiene 2 dígitos, y los dos puntos LED están montados entre ambos dígitos. Este circuito impreso va montado en el centro del display del reloj de 4 dígitos, ocupando los 2 dígitos centrales; y a cada lado va montada otra placa de un sólo dígito.

Nuevo display del Reloj

¿Dónde fabricar el PCB?

Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos, pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Por suerte, se puso en contacto conmigo el fabricante de circuitos impresos PCBWay, preguntando si quería hacer una colaboración con ellos. Lo primero que hice es visitar su página Web, y me pareció muy interesante su manera de trabajar.

Proyectos compartidos en PCBWay

https://www.pcbway.com/project/shareproject/

Esta empresa, aparte de ser grande y tener muy buenos precios, dispone de un apartado en su Web para alojar los diseños y poder compartirlos. Creo que la idea es muy buena para ambas partes. El diseñador recibe un porcentaje de las ventas que se realicen de sus diseños y el fabricante aumenta sus ventas.

Link of my shared project: 
PCB from PCBWay

Lote PCBs

Sorteo por cortesía de: PCBWay

Sorteo patrocinado por PCBWay

El sorteo se realizará el próximo día 23 de Diciembre de 2017, y habrá 3 ganadores. Cada ganador recibirá un cupón de regalo para mandar a fabricar sus propios PCB’s. Los circuitos impresos podrán ser de una o dos caras, y con un tamaño máximo de 100×100 milímetros… con transporte incluido.

PARTICIPANTES

El sorteo se realizará entre los suscriptores de este canal, que dejen un comentario en la línea de comentarios del video (YouTube). Si quieres participar, no te olvides de dejar sin marcar en tu cuenta de YouTube la casilla: ‘Mantener todas mis suscripciones en privado’ (por lo menos el día 23 de Diciembre).

Logo PCBWay
https://www.pcbway.com/

CIRCUITOS IMPRESOS (PCB)

Archivos GERBER para fabricar este nuevo PCB, con 2 dígitos de 7 segmentos:

PCB_Display_2x7.zip

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:

 

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

 

 

Display de 7 segmentos, control serie

Diseño de un display de 7 segmentos SMD, con control serie. Con este circuito se pueden apilar tantos dígitos en serie como sea necesario, porque el número de pines de control no cambian. En este circuito se utiliza el TPIC6B595 como registro de desplazamiento, y un 74HC04 (6 inversores) como ‘driver/separador’ de las señales de control: Clock, Strobe y Enable. Al utilizar un registro de desplazamiento (Shift Register), las señales de control (Clock, Strobe y Enable) son las mismas para todos los dígitos, y la línea de datos (Data) se conecta al primer dígito… encadenando la salida de datos de un dígito con el siguiente.

TPIC6B595

El diseño de este display de 7 segmentos es modular, y se pueden conectar tantos dígitos en serie como sean necesarios.

Conexión serie TPIC6B595

Cada dígito dispone de su propio regulador de tensión de 5V, pero sólo es necesario instalar uno para alimentar toda la serie. Las conexiones de la salida de un módulo se conectan con las de entrada del módulo siguiente, permitiendo así alimentar todos los módulos con un sólo regulador de tensión. Con el fin de evitar una carga excesiva de las señales de control (Clock, Strobe y Enable) y evitar posibles interferencias en el cableado, cada módulo dispone de un circuito que hace las funciones de ‘regenerador’ de la señal.

Display control serie

El circuito integrado 74HC04 dispone de 6 inversores, y se utilizan de dos en dos, con el fin de obtener el mismo nivel lógico de la entrada en la salida. El único detalle a considerar, es que la conexión de las 3 señales de control con el registro de desplazamiento (TPIC6B595) se realizan en las salidas del primer inversor. De esta forma, la CPU debería entregar las 3 señales de control: Clock, Strobe y Enable en modo invertido.

Control del display

Control de brillo PWM (Pulse-Width Modulation)

El control de brillo del conjunto de módulos que conformen el display, se realiza mediante la gestión de la señal ENABLE. Modificando el ancho del impulso de una señal  de frecuencia >20 Hz, con el fin de evitar el parpadeo,  se puede ajustar el nivel de luminosidad del display.

Control de brillo PWM

En la imagen anterior se puede observar que la frecuencia de la señal PWM es de 104 Hz, y al aumentar el ancho del semiciclo positivo el brillo decrece (ver el video). Como es lógico, el brillo máximo se obtendrá si permanece habilitado el 100% del tiempo la señal ENABLE (sin impulsos). En el circuito integrado TPIC6B595 el estado ON se corresponde con un nivel bajo (cero lógico). El control de brillo PWM lo podría gestionar la propia CPU, partiendo de la información que recibiera de un sensor de luminosidad.

Shift Register (Registro de desplazamiento)

Funcionamiento de un Shift Register o Registro de desplazamiento, muy útil cuando se necesita controlar una gran cantidad de dispositivos de forma simultánea, utilizando un microprocesador con un número limitado de terminales. Este componente electrónico –Shift Register– es muy usado en centrales de control destinados a la domótica, paneles electrónicos de tipo LED, etc.

8-Bit Shift Register

En los circuitos digitales, un registro de desplazamiento es una cascada de Flip-Flops que comparten el mismo reloj, en el que la salida de cada Flip-Flop está conectada a la entrada de datos del siguiente Flip-Flop de la cadena, dando lugar a un circuito que desplaza por una posición la matriz de bits almacenada en ella, desplazando los datos presentes en su entrada y desplazando el último bit en la matriz, en cada transición de la entrada de reloj.

Esquema interno del 74HC595

Los registros de desplazamiento –Shift Register– pueden tener entradas y salidas tanto en paralelo como en serie. Normalmente se configuran a menudo como Serial-In, Parallel-Out (SIPO) o como Parallel-In, Serial-Out (PISO). También hay modelos que tienen entrada en serie y paralelo y otros con salida en serie y en paralelo. También hay registros de desplazamiento bidireccionales que permiten el desplazamiento en ambas direcciones (L → R o R → L). La entrada en serie y la última salida de un registro de desplazamiento, también se pueden conectar para crear un registro de desplazamiento circular.

Funcionamiento (Shift Register)

Para comprender mejor el funcionamiento de un registro de desplazamiento, se puede montar en una placa de pruebas (Protoboard) el siguiente circuito:

Display de 7 segmentos con 74HC595

El hilo de entrada de datos (SER/DATA) se puede conectar a la línea de +5 o GND, dependiendo del estado lógico (1/0) que queramos introducir al registro. A continuación se pulsa el botón SRCLK/CLOCK, para que el primer dato entre en el registro, desplazando todos sus estados una posición en orden creciente. Si queremos visualizar el estado de los registros en el display, a continuación pulsaremos el botón RCLK/STROBE.

Pruebas del 74HC595

Para que funcione el registro de desplazamiento, el hilo SRCLR/RESET tiene que estar conectado a nivel alto (+5V), si lo conectamos a GND se inicializarán todos los registros poniéndose a cero (Reset).

Matriz de 7 segmentos #2

Construcción de una matriz LED de 7 segmentos y 2 dígitos. Cada dígito tiene un tamaño de 8 centímetros de alto y 4 de ancho. En esta segunda parte, se sustituyen los diodos LED por otros de mayor rendimiento lumínico. Se realizan pruebas comparativas entre ambos diodos, ajustando su corriente al mismo valor. También se mide la luminosidad de ambos diodos con un luxómetro.

Elección de los diodos LED

Estos son los datos del los diodos LED que se han elegido como sustitución de los anteriores:

Referencia : Green C503B-GCS/GCN (30 degree)
Bin code: C0
Luminisodad (según el fabricante):
Mínima: 23.500 mcd Máxima: 32.900 mcd

Datasheet LED: C503B

Comparativa entre ambos diodos LED

Estos diodos se alimentarán con una tensión de 5 VDC, limitando su corriente máxima a 18 mA. Una vez colocada la resistencia limitadora en cada diodo, el montado con anterioridad y el nuevo, se realiza una prueba comparativa antes de cambiarlos.

Luminosidad LED

Medida de luminosidad

Posteriormente se mide la luminosidad de ambos diodos, utilizando un luxómetro adaptado para medir diodos LED.

Medida con luxómetro

Esquema de montaje

Esta matriz LED, compuesta por 2 dígitos de 7 segmentos con punto decimal, contiene 30 diodos LED (2 diodos por segmento). Cada diodo LED incorpora su propia resistencia limitadora, colocada en serie con el ánodo de cada diodo. Los 28 diodos de los segmentos llevan resistencias de 100 ohmios. Debido a que la orientación de los puntos decimales es frontal y producen un efecto luminoso mayor, se montan resistencias de mayor valor (470 ohmios) con el fin de igualar su luminosidad. A continuación se muestra el esquema de montaje de esta matriz LED.

Esquema: Matriz de 7 segmentos

PRUEBAS

Para comprobar el funcionamiento de la matriz LED, se conecta una CPU que muestra un contador numérico. Con el fin de comprobar los posibles defectos de luminosidad, este firmware reduce el tiempo de encendido en 1/10 (brillo reducido). A continuación se muestra la comparativa entre ambos matrices (antes de cambiar los diodos y después), funcionando ambas en las mismas condiciones.

Comparativa: Matriz LED

En el siguiente video se muestran todos los detalles y medidas realizadas al sustituir los diodos LED.