# adam śmiałek ERGOCLOCK

### Co to jest?

„ErgoClock” to zegar z funkcją budzika i jednokanałowego sterownika dobowego, przeznaczony do samodzielnego montażu. Układ umożliwia zbudowanie zarówno prostego budzika jak i radiozegara czy innego urządzenia włączającego się o wybranej porze. Użytkownik może zdecydować się na jeden z dziewięciu wybranych sygnałów budzenia. Układ został maksymalnie uproszczony, a cena części potrzebnych do jego zbudowania jest niska, dzięki czemu zegar jest możliwy do zbudowania także przez początkujących elektroników. Urządzenie pracuje w oparciu o zasilanie sieciowe. Pobiera niewiele prądu i jest wyposażone w podtrzymujący układ zasilania bateryjnego.

### A po co to?

Pytanie o sens prezentowania takiego układu jest słuszne. W internecie wszelkich budzików znajdziemy wiele, a jeszcze więcej znajdziemy tychże w sklepach, gotowych do pracy i tanich. Jednakże znakomitą większość tych konstrukcji cechuje brak ergonomii. Począwszy od konieczności powolnego przewijania czasu alarmu podczas jego ustawiania, na kłopotach z jego wyłączeniem czy aktywizacją funkcji „drzemka” skończywszy.

Dlatego też po bezskutecznym poszukiwaniu sprawnego urządzenia postanowiłem sam takie zbudować. Zegar został zaprojektowany niejako „od tyłu”, czyli najpierw zostały określone potrzeby i założenia. I tak:

- Klawiatura ograniczona jest do niezbędnego minimum, zapewniając jednak wystarczającą wygodę działania.

- Nastawianie czasu alarmów możliwe jest w obie strony (w przód i w tył) i przebiega bardzo szybko.

- Nastawianie czasu możliwe jest tylko po włączeniu zegara do prądu, gdyż z tej funkcji korzysta się rzadko. Istnieje jednak możliwość zerowania do pełnej godziny osobnym, ukrytym klawiszem.

- Sygnał alarmu trwa, dopóki nie zostanie wyłączony. Dzięki temu obudzi nawet największego śpiocha.

- Wyłączenie alarmu możliwe jest dopiero po dwukrotnym przyciśnięciu klawiszy. Za pierwszym razem aktywowana jest „drzemka” czyli odroczenie alarmu na dziesięć minut. Dzięki temu „nieprzytomny śpioch” nie musząc myśleć, który klawisz wcisnąć, by jeszcze chwile pospać, a nie zaspać, ma szansę na pewne wybudzenie.

- Istnieje funkcja „drzemka poobiednia”, czyli aktywacja alarmu po pół godzinie. Nie ma potrzeby ustawiania konkretnego czasu, wystarczy przez dłuższą chwilę przytrzymać przycisk alarmu, by po trzydziestu minutach alarm się aktywował. Jest to bardzo wygodna funkcja, której próżno szukać w gotowych konstrukcjach.

- Gdy użytkownik zechce użyć zegara do sterowania np. radiem dostanie funkcję „zasypianie”, czyli wyłączenie radia po piętnastu minutach. Również ta funkcja aktywizuje się po dłuższym przytrzymaniu przycisku włączania radia i jest niezależna od nastawionych alarmów.

- Do dyspozycji mamy dziewięć sygnałów budzenia, od prostego pikania do rozbudowanych melodii. Na etapie programowania układu możemy zdecydować się na jeden z nich lub też wybrać zestaw trzech losowo zmieniających się melodyjek.

- Zegar co kwadrans emituje krótkie dźwięki oznajmiając o upływającym czasie. Jednakże pomiędzy 22.00, a 6.45 efekt ten jest wyłączony. Istnieje możliwość całkowitego wyłączenia znaczenia kwadransów.

Ponieważ wobec tak prostych zadań mikroprocesor dysponuje nadmiarem mocy zegar otrzymał tak zwane „bajery” w postaci przyjemnego dla oka pulsowania dwukropka, efektów animacyjnych i dźwiękowych, podporządkowanych jednak wygodzie i ergonomii.

## ___ jak to działa ________________

Na wstępnie pragnę wspomnieć, że do wykonania urządzenia wystarczy podstawowa wiedza na temat jego budowy i sposobu działania. Dlatego poniższy opis będzie traktował temat pobieżnie i zupełnie pominie zagadnienia programu mikrokontrolera.

Sercem układu jest mikroprocesor firmy Atmel, ze znanej i popularnej rodziny „51”. Do większości nóżek procesora dołączone są poszczególne segmenty wyświetlacza. Jest to rozwiązanie nietypowe, mające jednakże przewagę w postaci braku efektu stroboskopowego (mrugania wyświetlacza) i upraszcza konstrukcję. Wadą takiego sterowania jest zwiększona ilość rezystorów, jednak w naszym wypadku nie będzie to mieć żadnego znaczenia. Część wyprowadzeń funkcjonuje równocześnie w roli klawiatury. Wybór przełączników, ich rozmieszczenie i mechaniczne rozwiązania całości zostawiamy budującym zegar. Należy tylko zwrócić uwagę, by przełączniki zwierały po wciśnięciu i przestawały zwierać po puszczeniu (muszą być to tak zwane przełączniki monostabilne).

A tak wygląda schemat urządzenia:

Na schemacie oprócz kontrolera widzimy tak zwany driver czyli układ wzmacniaczy sterujących buzerem, przekaźnikiem i częścią segmentów na pierwszej pozycji. Ten mały układ zastąpi nam dziewięć elementów, a i tak będzie wykorzystany niespełna w połowie. Wyświetlacze stosowane w zegarze, oczywiście ze wspólną anodą, powinny być dość sprawne ze względu na niewielki prąd świecenia. Buzzer może wymagać równoległego podłączenia rezystora o wartości od stu omów w górę. Jeśli ktoś chciałby uzyskać naprawdę głośny dźwięk może zamiast rezystora zastosować dławik o odpowiedniej oporności dla prądu stałego. Zalecam wtedy podłączenie dowolnej diody prostowniczej pomiędzy zasilanie, a masę, katodą do plusa. Przekaźnik (opisany jako „transf.”) powinien pracować przy niskim prądzie i napięciu 5V. Wysokoprądowe przekaźniki jak i niska wartość rezystora buzzera czy zastąpienie go dławikiem jak również zastosowanie głośnika zamiast buzzera (przynajmniej 32-omowego) wymagać będzie wymiany stabilizatora 78L06 na wersję jednoamperową. Do wyprowadzeń „BAT” należy podłączyć baterię ogniw o napięciu 4,5V (trzy baterie AA, AAA albo baterię płaską). Widoczny na schemacie trymer służy do regulacji dokładności zegara. Metodą prób i błędów należy korygować ustawienia przez pierwsze tygodnie używania zegara aż do uzyskania zadowalającej dokładności.

Nie wszystkie elementy będą potrzebne w każdym wypadku. I tak:

- Jeśli zrezygnujemy z podtrzymywania bateryjnego możemy nie lutować obu diod, zwierając tę przy stabilizatorze (który należy zmienić na pięciowoltowy), rezystorów 4k7, 2k2 oraz diody zenera. Wyprowadzenie 7 mikrokontrolera należy podłączyć do zasilania przez rezystor około 10kΩ. Dobrze będzie też znacznie zwiększyć pojemność kondensatora za mostkiem prostowniczym, nawet do 2,2mF.

- Jeśli zrezygnujemy z funkcji włączania urządzeń przekaźnikiem możemy zrezygnować oczywiście z samego przekaźnika jak również z klawiszy „TRAN” oraz „ONOFF”.

Poniżej znajduje się opis poszczególnych etapów pracy zegara.

## ___ ustawianie czasu ________________

- Po włączeniu zasilania zegar pika bez końca animując napis powitalny (ErGoCLocK () AdAm SmiALEK'07) i czeka na wciśnięcie MINUS, PLUS, BUZZ lub TRAN.

- Po wciśnięciu jednego z wymienionych przycisków za pomocą PLUS oraz MINUS należy ustawić aktualny czas, po czym zatwierdzić ustawienie przyciskiem BUZZ lub TRAN. Zatwierdzenie potwierdzane jest podwójnym piknięciem oraz wyświetleniem napisu „YES”.

Ponowne ustawienie czasu z dokładnością do dowolnej minuty możliwe jest tylko po resecie sprzętowym (wyłączeniu zasilania). Jednakże wciśnięcie przycisku RESET w chwili, gdy nie nastawiamy czasów alarmów i nie trwa jakikolwiek alarm zeruje czas do pełnej godziny. Umożliwia to okresową regulację zegara przy pomocy np. sygnału radiowego pełnej godziny. Zerowanie potwierdzane jest podwójnym piknięciem oraz wyświetleniem napisu „On”. Przycisk RESET nie spełnia poza tym żadnej funkcji i powinien być odpowiednio zabezpieczony przed przypadkowym wciśnięciem.

## ___ ustawianie budzików ________________

- Po wciśnięciu przycisku BUZZ urządzenie przechodzi do ustawienia godziny alarmu. W czasie ustawiania dioda alarmu szybko pulsuje. Za pomocą PLUS oraz MINUS należy ustawić żądany czas włączenia alarmu, po czym zatwierdzić ustawienie przyciskiem BUZZ. Zatwierdzenie potwierdzane jest podwójnym piknięciem oraz wyświetleniem napisu „On”, a dioda alarmu zaczyna się świecić. Także po dziesięciu sekundach bezczynności następuje automatyczne zatwierdzenie wyświetlonego czasu.

- Po ponownym wciśnięciu przycisku BUZZ urządzenie deaktywuje (wyłącza) alarm. Deaktywacja potwierdzana jest pojedynczym piknięciem oraz wyświetleniem napisu „oFF”, a dioda alarmu przestaje się świecić.

- Po wciśnięciu przycisku TRAN urządzenie przechodzi do ustawienia godziny włączenia przekaźnika. W czasie ustawiania dioda przekaźnika szybko pulsuje. Za pomocą PLUS oraz MINUS należy ustawić żądany czas włączenia przekaźnika, po czym zatwierdzić ustawienie przyciskiem TRAN. Zatwierdzenie potwierdzane jest podwójnym piknięciem oraz wyświetleniem napisu „On”, a dioda przekaźnika zaczyna się świecić. Także po dziesięciu sekundach bezczynności następuje automatyczne zatwierdzenie wyświetlonego czasu.

- Po ponownym wciśnięciu przycisku TRAN urządzenie deaktywuje (wyłącza) włącznie przekaźnika. Deaktywacja potwierdzana jest pojedynczym piknięciem oraz wyświetleniem napisu „oFF”, a dioda przekaźnika przestaje się świecić.

## ___ funkcje „drzemka” i „zasypianie” ________________

- Gdy nie trwa jakikolwiek alarm wciśnięcie przycisku BUZZ i przytrzymanie go przez dwie sekundy aktywuje funkcję „drzemka poobiednia”. Funkcja ta włączy alarm po 30 minutach od chwili jej uruchomienia. Aktywacja potwierdzana jest podwójnym piknięciem oraz wyświetleniem napisu „Sno”, a dioda alarmu zaczyna powoli pulsować.

- Gdy aktywna jest funkcja „drzemka poobiednia” przycisk ONOFF jest zablokowany. Wciśnięcie MINUS, PLUS, BUZZ lub TRAN deaktywuje funkcję „drzemka poobiednia”. Deaktywacja potwierdzana jest pojedynczym piknięciem oraz wyświetleniem napisu „oFS”, a dioda alarmu świeci zgodnie z ustawionym wcześniej alarmem.

- Gdy nie trwa jakikolwiek alarm wciśnięcie przycisku TRAN i przytrzymanie go przez dwie sekundy aktywuje funkcję „zasypianie”. Funkcja ta wyłączy przekaźnik po 15 minutach od chwili jej uruchomienia. Aktywacja potwierdzana jest podwójnym piknięciem oraz wyświetleniem napisu „SLE”, a dioda przekaźnika zaczyna powoli pulsować.

- Gdy aktywna jest funkcja „zasypianie” przycisk ONOFF jest zablokowany. Wciśnięcie MINUS, PLUS, BUZZ lub TRAN deaktywuje funkcję „zasypianie”. Deaktywacja potwierdzana jest pojedynczym piknięciem oraz wyświetleniem napisu „oFS”, a dioda przekaźnika świeci zgodnie z ustawionym wcześniej włączaniem przekaźnika.

## ___ budzik ________________

- Gdy alarm jest aktywny przyciski ONOFF oraz TRAN są zablokowane, urządzenie emituje dźwięki, wyświetlacz powoli pulsuje, a dioda alarmu pulsuje szybko. Wciśnięcie MINUS, PLUS lub BUZZ odracza alarm na dziesięć minut (funkcja „drzemka poranna”). Odroczenie potwierdzane jest podwójnym piknięciem oraz wyświetleniem napisu „Sno”, wyświetlacz przestaje pulsować, a dioda alarmu zaczyna pulsować powoli. Ponowne wciśnięcie MINUS, PLUS, BUZZ lub TRAN deaktywuje odroczenie alarmu. Deaktywacja potwierdzana jest pojedynczym piknięciem oraz wyświetleniem napisu „oFS”, a dioda alarmu zaczyna świecić światłem ciągłym.

- Gdy nastąpi włączenie przekaźnika przycisk ONOFF jest zablokowany, a dioda przekaźnika szybko pulsuje. Wciśnięcie TRAN wyłącza przekaźnik. Wyłączenie potwierdzane jest pojedynczym piknięciem, a dioda przekaźnika zaczyna świecić światłem ciągłym.

## ___ pozostałe przyciski ________________

- Przycisk ONOFF służy do niezależnego naprzemiennego włączania i wyłączania przekaźnika. Każde włączenie potwierdzane jest podwójnym piknięciem, wyłączenie pojedynczym. Stan diody przekaźnika w każdym przypadku nie ulega zmianie.

- Przycisk CHIME służy do blokady pikania w każdy kwadrans. Ponieważ jest to przełącznik dwustanowy należy zwierać go za pomocą diody.

- Przycisk RES nie ma obecnie żadnego zastosowania.

## ___ wyjście „RES” ________________

- W trakcie eksploatacji zegara pojawiła się nowa potrzeba - sterowanie odtwarzaczem cd lub mp3 (budzenie muzyką). Rozwiązanie jest proste. Należy równolegle do funkcji „pauza” odtwarzacza wmontować przekaźnik bądź transoptor podłączony do wyjścia RES. Każdorazowe włączanie bądź wyłącznie przekaźnika sprawia, że na owym wyjściu pojawia się krótki impuls, który naprzemiennie włącza i zatrzymuje muzykę. Oczywiście odtwarzacz powinien być włączony w obwód zasilania zegara i powinien mieć wyłączony układ zasypiania (oszczędności energii).

## ___ budujemy ________________

Temat budowy zegara pozostawiam otwarty. Należy tylko pamiętać o odpowiednim zasilaczu. Napięcie zmienne powinno wynosić około 9V. Pobór prądu przez urządzenie wynosi około 40mA plus prąd przekaźnika. Pobór prądu z baterii wynosi około 6mA. Montaż zegara najlepiej wykonać na płytce drukowanej. Stąd możemy pobrać obraz płytki w formacie pcb z programu Autotrax oraz Gerber. Na podstawie tego pliku możemy zlecić wykonanie płytki odpowiedniej firmie. Gdybyśmy jednak chcieli płytkę wykonać sami tutaj znajduje się rysunek ścieżek w rozdzielczości 600 dpi, natomiast tutaj znajduje się rysunek rozmieszczenia elementów.

Temat montażu, programowania i pokonywania problemów związanych z urządzeniami tego typu jest szeroko poruszony przy okazji opisów muzykantów i tam odsyłam zainteresowanych. Pozostaje jedynie zestawić programy, które będziemy ładować do mikroprocesora. Oprogramowanie różni się wyłącznie rodzajem dźwięków alarmów.

„Trzy melodie”: Tutaj znajduje się program, który jako alarmu użyje losowo jednej z poniższych trzech melodii.

„Melodia 1”: Tutaj znajduje się program, który jako alarmu użyje tej melodii.

„Melodia 2”: Tutaj znajduje się program, który jako alarmu użyje tej melodii.

„Melodia 3”: Tutaj znajduje się program, który jako alarmu użyje tej melodii.

„Retro budzik”: Tutaj znajduje się program, który jako alarmu użyje tego dźwięku.

„Rozbudzacz”: Tutaj znajduje się program, który jako alarmu użyje tego dźwięku.

„Stara komórka”: Tutaj znajduje się program, który jako alarmu użyje tego dźwięku.

„S.O.S.”: Tutaj znajduje się program, który jako alarmu użyje tego dźwięku.

„Dobosz”: Tutaj znajduje się program, który jako alarmu użyje tego dźwięku.

„Obłęd”: Tutaj znajduje się program, który jako alarmu użyje tego dźwięku.

A tak wygląda zmontowana płytka zegara:

...a tak gotowe urządzenie, pracujące jako radiobudzik:

## ___ ergoclock flash ________________

Na podstawie schematu montażowego powstała dość oryginalna wersja zegara zasilanego wyłącznie bateryjnie. Został on pozbawiony funkcji budzika i sterownika, a głównym założeniem było ograniczenie zużycia prądu. Komplet trzech ogniw AA zapewni nieprzerwaną pracę urządzenia przez kilka miesięcy. Zegar nietypowo wyświetla czas - cyfry pojawiają się na krótką chwilę co dwie sekundy. Jednakże dzięki właściwościom ludzkiego oka nie ma problemu z ich odczytem. Średni prąd zasilający wynosi niecały miliamper przy nowych bateriach i spada do połowy przy bateriach bliskich wyczerpaniu. Kondensator o dużej pojemności umożliwia maksymalne wyeksploatowanie ogniw. Nic nie stoi na przeszkodzie by użyć akumulatorów jednak czas pracy może być krótszy, ponieważ w tak długim okresie akumulatory ulegają niezależnemu częściowemu samorozładowaniu.

Tak wygląda schemat zegara w wersji energooszczędnej:

Jak widać schemat uległ uproszczeniu. Różnice dotyczą portu pierwszego. Anody „dwójki” z pierwszej pozycji (dziesiątki godzin) zasilane są niezależnie, buzzer podłączony jest przez rezystor wprost do portu P1.0, a kwarc pracuje o połowę wolniej. Poza tym klawiatura składa się wyłącznie z dwóch przycisków „plus”, „minus” i służy do ustawiania czasu. Dziesięć sekund po ostatnim wciśnięciu dowolnego przycisku zegar akceptuje ustawiony czas resetując licznik sekund. Buzzer, podobnie jak w wersji rozbudowanej zegara, sygnalizuje kwadransy poza godzinami nocnymi. Dodatkowo cichutkim stukiem sygnalizowane są minuty.

Tutaj znajduje się program zegara w wersji „ergoclock flash”.

#### Pragnę przeprosić z góry za niemożliwość indywidualnej pomocy przy ewentualnych kłopotach związanych z budową zegara, po prostu nie mam na to czasu. Chętnie natomiast poznam wszelkie sugestie, które być może uwzględnię w następnych projektach. Budując zegar należy być świadomym tego, że odpowiedzialność za jakiekolwiek szkody związane z jego używaniem spoczywa na użytkowniku zegara.

#### Wszelkie prawa do zamieszczonych na tej stronie materiałów, rozwiązań oraz do projektu strony, jeśli nie zaznaczono inaczej, należą do autora - Adama Śmiałka. Jakiekolwiek komercyjne ich wykorzystanie wymaga bezwzględnie wcześniejszego kontaktu ze mną na adres: jankomuzykant@wp.pl.

#### All Rights Reserved.