RELOJ ELECTRÓNICO LUMINOSO UP-DOWN COUNTER Crespo, Pablo; Garabello, Javier Adán Facultad Regional Villa María UTN Av. Universidad 450 0353-4537500 javiergarabello@hotmail.com Tutor: Ing. Catalano, Juan Marcelo Palabras clave: Reloj electrónico, Cartel Bicentenario, Up-Down counter Introducción El presente proyecto consta en la realización de un reloj digital luminoso que proporcione la hora actual y una cuenta de los días restantes para la llegada del bicentenario de la Revolución de Mayo de nuestro país. Ha sido realizado a pedido de la Municipalidad de la Ciudad de Villa María mediante un convenio con la Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Villa María. Este sistema electrónico muestra en un período repetitivo de 1 minuto: la hora actual (20 segundos) y los días restantes para la llegada del bicentenario (40 segundos). Para la implementación del reloj se construyeron cuatro dígitos de siete segmentos cada uno. Dichos segmentos individuales están constituidos por LEDs (Diodos Emisores de Luz). Entre los componentes electrónicos utilizados se destacan: LEDs de grandes dimensiones y de alto brillo (los cuales nos permiten visualizar los dígitos encendidos en condiciones de alta luminosidad del ambiente exterior), transistores de potencia (son utilizados para encender los segmentos), microcontrolador (utilizado como unidad de procesamiento), reloj de tiempo real, reguladores de tensión y compuertas lógicas. Funcionamiento básico El sistema deberá generar una variable numérica que indique los días restantes para la llegada de un evento de fecha y hora determinada. Para generar dicha variable de cuenta regresiva nos valemos de un algoritmo que compara la fecha actual con la fecha del evento a anunciar. De esta manera nos independizamos de la cuenta regresiva de un registro en particular, y solucionamos el problema simplemente ingresando al algoritmo la fecha y hora actual. Este proceso lo podemos visualizar esquemáticamente en la figura 1. Figura 1. Esquema conceptual de funcionamiento del algoritmo.
En la figura 2 se observa el diagrama en bloques generalizado del sistema. Figura 2. Diagrama en bloques del sistema. La etapa principal es la unidad de procesamiento central (CPU) implementada con un microcontrolador PIC16F84A de la empresa Microchip. Este bloque controla el funcionamiento y sincronismo del sistema. Mediante el protocolo I 2 C, el microcontrolador (µc) se comunica con un reloj de tiempo real (RTC) integrado del tipo DS1307. En un principio, el µc configura al RTC con la fecha y hora actual. Luego en forma periódica solicita estos datos para compararlos con la fecha de evento programada. Con la etapa de teclado introducimos los datos para que se envíen del µc al RTC. Los parámetros a introducir son: minutos, hora, día, mes y año. Para poder mantener la fecha ante un corte de energía principal, se provee al RTC de una batería auxiliar que continúa con la cuenta en tiempo real. Mediante un bus serial sincrónico el µc envía datos a la etapa Shift Register (Registro de Desplazamiento). Este bloque se encarga de convertir una transmisión serie a un dato paralelo, con el fin de conmutar todos los segmentos simultáneamente una vez que ha finalizado la comunicación. La etapa de conmutación y potencia se encarga de proveer la corriente necesaria para que los LED se enciendan. Los segmentos frontales están constituidos únicamente por LED. En cada uno de estos segmentos los LED están distribuidos en dos hileras de 13, formando así 26 puntos luminosos por segmento. Como etapa de apoyo a la configuración de la hora y fecha, se construyó un panel ubicado en la parte trasera del tablero, con el fin de visualizar los mismos datos mostrados en el tablero principal constituido por los LED. Software En la figura 3 podemos observar el diagrama de flujo del software implementado en el sistema. El cual es ejecutado por el microcontrolador.
Figura 3. Diagrama de flujo del software implementado en el µc. En la Ecuación 1 se detalla la fórmula utilizada para generar la variable (llamada cuenta ) de los días faltantes para el suceso. Cabe destacar que es una fórmula meramente ilustrativa del proceso. Ecuación 1. n = Mes del suceso. j = Mes actual. di = Días totales del mes en calculo. dj = Días totales del mes actual. da = Día actual.
Hardware de control Se utilizó un microcontrolador PIC16F84A cuyas prestaciones, a pesar de ser consideradas de rango medio, satisface las necesidades del diseño. Las características generales del circuito integrado son las siguientes: Bus de datos 8 bits. Frecuencia de trabajo de hasta 20 MHz (mínimo 200nS por instrucción). 1024 palabras de memoria de programa. 68 bytes de memorias de datos. 13 puertos de entrada y salidas digitales. Contador / Temporizador programable de 8 bits. Comunicación serie y aplicación de Registro de Desplazamiento Uno de los aspectos principales del circuito es la implementación del Registro de Desplazamiento para la transmisión de datos del µc hacia los segmentos delanteros. Utilizando solo dos pines del µc se envían los datos necesarios para el encendido de los segmentos correspondientes, y con un pin adicional se retiene el dato en los integrados codificadores. Como podemos observar en la figura 4, el µc se comunica a través de dos pines con el circuito integrado que cumple la función de Registro de Desplazamiento, y de forma serial se pueden adicionar más IC para aumentar el tamaño del Registro (en nuestro caso sólo son necesarios dos IC). Uno de estos pines de conexión cumple la función de reloj, el cual sincroniza el momento en el que el IC 74164 (circuito integrado utilizado como Registro de Desplazamiento) debe tomar el dato correspondiente por el pin que cumple tal función. En la figura 5 podemos observar que el IC toma el dato en el flanco descendente del reloj y lo cambia en el flanco ascendente. En nuestro ejemplo el dato a enviar es 01101100, que durante el transcurso del tiempo se va desplazando de Q0 hasta Q7, enviando en primera instancia el dato correspondiente a Q7. RELOJ DATO 9 8 SRG8 R C1/-> 1 3 2 & 1D 4 5 6 10 11 12 13 74164 9 8 SRG8 R C1/-> 1 3 2 & 1D 4 5 6 10 11 12 13 74164 Figura 4. Esquema de conexionado del registro de desplazamiento. IC74164. Implementación del IC 4511 Para facilitar algunas cuestiones del sistema se decidió utilizar el IC 4511, el cual es un decodificador de BCD (Binario Codificado Decimal) a 7 segmentos, que posee un control de
LATCH, permitiéndonos, en un determinado momento, tomar la muestra del dato que se encuentra en sus entradas y almacenarlo. De esta manera obtenemos dos ventajas: 1. El fácil manejo de variables dentro del software, ya que utilizamos BCD sin necesidad de hacer cambio a 7 segmentos dentro del mismo. 2. Evitar el efecto de desplazamiento de datos en la visualización de los segmentos frontales, utilizando el latch del IC 4511 cuando sea conveniente. De esta manera, a pesar del cambio de datos de entrada al mismo, se mantendrá el dato que se almaceno al activar el latch. En el reloj fueron necesarios cuatro IC 4511, uno por cada display de 7 segmentos. Figura 5. Diagrama temporal de funcionamiento del registro de desplazamiento. Etapa de conmutación Otro aspecto a tener en cuenta en el sistema es la adaptación de tensiones entre la utilizada para la alimentación de los IC, tanto sea µc, RTC, 74164 y 4511, y la necesaria para alimentar los segmentos compuestos por LED conectados en serie. Para la solución del inconveniente se implementó una etapa de conmutación compuesta por transistores de alta frecuencia, como se muestra en la figura 6. Lo que se logra es encender cada segmento individualmente con 30 volt, a través de la tensión de control de 5 volt que nos proporciona la etapa de codificación de los IC 4511.
Figura 6. Implementación de conmutación mediante transistor BJT de alta frecuencia. Dispositivo Lumínico Al momento de diseñar el reloj se nos presento la oportunidad de implementar dos tipos de LEDs: LED con lente convergente Water Clear, que garantiza alta luminosidad (2000mCd). LED con lente difusa, que se caracteriza ángulo de visualización cercano a los 180º. Con el desafío de lograr que los dígitos del cartel pudiesen ser visualizados bajo cualquier condición de iluminación natural, optamos por los LEDs de alta luminosidad. Al cabo de un periodo de prueba, en condiciones de ambiente exterior, descubrimos que es muy dificultoso visualizar los dígitos en horario diurno. Esto se debe a dos causas: la ubicación actual del cartel hace que la luz solar reduce el contraste de iluminación; en segundo lugar, el ángulo de apertura de los semiconductores es de aproximadamente 20º, lo que trae aparejado que la correcta lectura de los dígitos solo sea posible observando el reloj de frente. Es que, por las razonas esgrimidas, se resolvió reemplazar la totalidad de los LED de alta luminosidad por aquellos que poseen lente difusa. Con esto resolvemos el inconveniente del ángulo de lectura. Conclusiones Se logró implementar un dispositivo de control con bajos recursos en comparación con los que se encuentran disponibles en el mercado actual. Esto se debe gracias a la implementación de la etapa de Registro de Desplazamiento y a la utilización de un RTC que funciona en forma conjunta con el µc. Esto nos permitió desarrollar un software simple, confiable y con pocos recursos de almacenamiento disponibles, como lo es la memoria del µc que consta de solo 1000 líneas de programación. Por otro lado, actualmente se está trabajando para resolver el inconveniente de la luz solar aunque creemos que es pertinente reubicar el cartel en un lugar donde no la reciba en forma directa. (a) (b) Figura 7. (a) Cartel luminoso con LEDs Alto Brillo. (b) Cartel luminoso con LEDs Difusos. Referencias [1] Datasheet, PIC16F84A. Año 2001. Microchip Technology Inc.
[2] Datasheet, SN74HC164. Año 1997. Texas Instruments Inc. [3] Datasheet, CD4511. Año 1995. National Semiconductor Corp. [4] Datasheet, DS1307. Año 2008. Maxim Integrated Products. [5] Datasheet, BD139. Año 2000. Fairchild Semiconductor International.