Reloj Calendario con Temperatura y Humedad

Un visualizador de reloj de tiempo real y variables de clima, se utiliza para visualizar el tiempo y fecha en curso con temperatura y humedad en el ambiente seleccionado.

Este proyecto deliberará la visualización del tiempo en el formato hh:mm:ss de 24 horas, fecha en un formato de DD:MM:AA, temperatura en grados celcius [°C] y humedad relativa [%H]. El microcontrolador utilizado es el Atmega32A que envía los datos a visualizar a 16 display de 7 segmentos Ánodo común. Los 16 displays son encendidos individualmente uno seguido de otro y cada conjunto de 8 displays son conectados a un chip decodificador BCD a 7 segmentos (7447) con el propósito de ahorrar puertos conectados al Atmega, mientras que cada común de los displays son conectados con un transistor 2N3904 a un puerto del Atmega. Para la hora y fecha se usa una RTC (DS1307), para la temperatura un termistor (TTC103) y humedad un sensor HH10D cuya salida es un valor de frecuencia. El programa del microcontrolador dispone una velocidad de desplazamiento o de barrido entre displays por cada 1ms, así como los datos a visualizar que vamos de mostrar.

Para la visualización dispone un una función para configurar la fecha y hora a través de 3 pulsadores.

Lista de materiales

Para este proyecto es muy indispensable disponer de un conjunto de herramientas básicas de un laboratorio de electrónica: un soldador, alambre de estaño, unos alicates de punta de aguja y cables.

Para el desarrollo de nuestro proyecto dispondremos de los siguientes materiales:

1 Atmega32A
1 termistor TTC103
1 sensor de Humedad HH10D
16 displays de 7 segmentos Ánodo común (a su color preferido) 6 displays en par pequeños, 2 individuales pequeños y 2 individuales medianos.
2 Decodificadores BCD a 7 segmentos 74LS47.
15 resistencias de 330 Ohms.
16 resistencias de 1 KOhms
5 resistencias de 10 KOhms
2 resistencias de 4.7 KOhms
2 resistencias de 560 Ohms
1 resistencia de 120 Ohms
1 resistencia de 220 Ohms
1 potenciómetro lineal de 10 KOhms
16 transistores 2N3904
1 Real Time Clock DS1307
1 cristal 32.768KHZ
1 batería de botón 3V con su porta-pila
2 condensadores electrolíticos de 47uF
1 condensador electrolítico de 100uF
2 condensadores cerámicos de 0.1uF
4 condensadores cerámicos de 10nF
1 Led rojo de 3mm
3 pulsadores
4 jumpers
1 regleta de espadines hembra y macho
1 regulador de voltaje LM317
Jack DC para PCB
PCB doble placa.

Desarrollo

Desplazamiento o Barrido

El barrido de los displays es básicamente una manera de activar uno por uno en un instante a una frecuencia elevada.

Un display de 7-segmentos es una manera de visualizar datos obtenidos por el uC enviados a través de 8 puertos por lo que equivale a utilizar todo un puerto del uC para poder manejar un solo 7-segmentos.

Pero en esta ocasión nos encontramos con la necesidad de utilizar más de un display pero a la vez no disponemos de la cantidad suficiente de puertos para ser utilizados. Por la falta de puertos es imposible conectar y encender todo un conjunto de 16 dispalys, para ello se utiliza el método de barrido que consiste en encender y apagar cada display seguido de otro cada 1ms, entonces no la vemos encenderse y apagarse, porque la frecuencia de es imperceptible al ojo humano.

Consideramos encender y apagar en 4 puertos del uC para un conjunto de 8 (displays de tiempo y temperatura), y otros 4 puertos para un conjunto de 8 (displays de fecha y humedad). El propósito de esta división es mejorar el rendimiento durante el proceso de barrido; por ejemplo durante el encendido y apagado del primer y último display hay que considerar el tiempo que demora e barrer hasta el último display, en este caso es una frecuencia de aproximadamente de 8ms sin considerar tiempos muertos del uC.

BCD a 7 segmentos

Uno de los problemas mencionados anteriormente es el número de puertos limitados del uC, por lo que se utiliza un chip para decodificar datos BCD de 4 bits a 7 segmentos correspondiente a cada display,

Cada conjunto de 8 displays son conectados a un chip decodificador BCD a 7-segmentos, por lo que es necesario el uso de 2 chip 74LS47. El número total de puertos utilizados para la presentación de datos son de 8 puertos, y para el barrido de los displays son de 16 puertos uno por display conectado al común, por lo tanto los puertos utilizados por el uC son de 24 puertos para un total de 16 displays.

Hora y Fecha

La presentación de hora y fecha se la realiza mediante un el dispositivo DS1307, Por la simple razón de trabajar con eventos más precisos, puntuales y exactos a lo largo del tiempo. Este pequeño dispositivo es uno de los más populares en relojes RTC (Real Time Clock) por su sencillez de uso y por su confiabilidad a largo plazo. Preparado para ofrecerte la hora hasta el año 2100 y bisiestos.

Para la lectura de hora y fecha se usa el bus I2C entre el uC y RTC que brinda hora con minutos y segundos y calendario que contempla los años bisiestos hasta fin de siglo.

Sensor de Temperatura

Uno de los principales objetivos de este proyecto es el uso de un sensor de temperatura analógica para la visualización de temperatura en grados celcius en dos displays.

El sensor utilizado es el TTC103 de salida de voltaje analógico, por la única razón de disponer este dispositivo, la opción de utilizar otro sensor es opcional, pero yo dispongo del termistor.

Las características del termistor son las siguientes:

Características	Valor
Valor de resistencia nominal del termistor (NTC) a 25ºC	10000 [ohm]
Parámetro beta	4050 [K]
Fórmula utilizada por el fabricante	R(T) = R25 * exp(B/T - B/T25)

Para la lectura de los datos del sensor se utiliza un puerto analógico del uC el cual es ADC7, y para obtener la temperatura real se utiliza la fórmula propuesta el fabricante en grados Kelvin, y para obtener en grados celcius como se lo ha propuesto solo se usa una simple ecuación °C = °K - 273.15.

Sensor de Humedad

Otro de los objetivos de este proyecto es el uso de un sensor de humedad para la visualización de humedad relativa en dos displays.

El sensor utilizado es el HH10D cuya salida es un valor de frecuencia que varía entre los 5 y 10 kHz dependiendo de la humedad entre el 1 y 99 % respectivamente.

El modulo del HH10D consiste en un sensor capacitivo tipo CMOS, convertidor de frecuencia y una memoria EEPROM usada para el almacenamiento de los factores de calibración y para el cálculo de la humedad. Debido a las características del sensor de humedad de tipo condensador, el sistema puede responder a los cambios de humedad muy rápido.

Las características del sensor de humedad son las siguientes:

Parámetro	Mínimo	nominal	Máximo
Rango de humedad	1 %		99 %
exactitud	-3 %		+3 %
Rango de temperatura	-10 °C		+60 °C
Voltaje de operación	2.7 V	3 V	3.3 V
estabilidad vs tiempo		1 % por año
Corriente de consumo	120 uA	150 uA	180 uA
Rango de frecuencia de salida	5 kHz	6.5 kHz	10 kHz

Para la lectura de humedad correcta, dos factores de calibración deben ser leídos desde la EEPROM en la dirección 10 y 12 por un bus i2C para la sensibilidad y compensación respectivamente. Una vez calibrado el modulo, se mide la frecuencia de salida del sensor, entonces el valor de humedad correcto puede ser calculada mediante la siguiente expresión:

HR(%)=(compensacion-Fout)*sens/2^12

La dirección física de la EEPROM está fijada a 81.

Dirección de la sensibilidad 10.

Dirección de la compensación 12.

Para la lectura de los factores de calibración puedes usar otro programa en el mismo circuito del proyecto o como prefieras para saber qué factores corresponden a tu sensor. Para mi sensor son: sens = 377 y compensación = 7792.

Pulsadores
Con el objeto de realizar un reloj con funciones básicas, se incorporó 3 pulsadores con el propósito de igualar la hora o cambiar la fecha.

El pulsador Menú realiza la función de cambiar de modo normal a modo minutos, horas, años, meses y días:

Menu = 0; modo normal
Menu = 1; modo de igualar minutos
Menu = 2; modo de igualar horas
Menu = 3; modo de igualar Años
Menu = 4; modo de igualar meses
Menu = 5; modo de igualar días
Menu = 6; modo de guardar en memoria tiempo y fecha actualizada

Los pulsadores de disminuir (-) y aumentar (+) realizar la simple función de cambiar los valores de los datos para obtener los datos deseados o igualados con respecto a un reloj o calendario actual.

Esquematicos

Esquema del reloj calendario, temperatura y humedad.

Nota: no existe una librería en Proteus para el HH10D por lo que se usa un generador de onda cuadrada y se lo conecta con espadines.

Se usa un Lm317 por la razón de utilizar componentes disponibles a mi alcance, si prefieres puedes usar un Lm1117 y modificar el esquema para obtener 3.3V.

Diseño de PCB

Diseño de la tarjeta de control para su elaboración en PCB de placa doble

Placa superior de la PCB.

Placa inferior de la PCB.

Diseño de la tarjeta de display y visualización en PCB.

Placa superior de la PCB.

Placa inferior de la PCB.

Diseño en 3D de las placas PCB

Se fabricarán 2 placas para evitar realizar una sola grande y para empotrar una sobre otra. Si prefieres puedes usar componentes superficiales o SMD y modificando el diseño en PCB.

Código en CodeVisionAVR

El programa fue desarrollado en CodevisionAVR versión 2.05.0

/*****************************************************

This program was produced by the

CodeWizardAVR V2.05.0 Professional

Automatic Program Generator

http://www.hpinfotech.com

Project : Reloj, Temperatura y Humedad

Version : 1.0

Date : 30/09/2014

Author : Byron Ganazhapa

Company : UTPL

Comments:

Chip type : ATmega32A

Program type : Application

AVR Core Clock frequency: 8,000000 MHz

Memory model : Small

External RAM size : 0

Data Stack size : 512

*****************************************************/

#include <mega32a.h>

#include <math.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <delay.h>

#include <bcd.h>

// Variables de tiempo y fecha

unsigned char hora;

unsigned char minu;

unsigned char seg;

unsigned char dia;

unsigned char mes;

unsigned char anyo;

unsigned char hora_BCD;

unsigned char minu_BCD;

unsigned char seg_BCD;

unsigned char dia_BCD;

unsigned char mes_BCD;

unsigned char anyo_BCD;

unsigned char dig_2_seg, dig_1_seg;

unsigned char dig_2_min, dig_1_min;

unsigned char dig_2_hora, dig_1_hora;

unsigned char dig_2_dia, dig_1_dia;

unsigned char dig_2_mes, dig_1_mes;

unsigned char dig_2_anyo, dig_1_anyo;

unsigned char get_hora, get_minu, get_seg;

unsigned char get_dia, get_mes, get_anyo;

#define DISPLAY_1_SEG 0x01

#define DISPLAY_2_SEG 0x01

#define DISPLAY_1_MIN 0x01

#define DISPLAY_2_MIN 0x01

#define DISPLAY_1_HORA 0x01

#define DISPLAY_2_HORA 0x01

#define DISPLAY_1_DIA 0x01

#define DISPLAY_2_DIA 0x01

#define DISPLAY_1_MES 0x01

#define DISPLAY_2_MES 0x01

#define DISPLAY_1_ANYO 0x01

#define DISPLAY_2_ANYO 0x01

#define DISPLAY_1_TEMPERATURA 0x01

#define DISPLAY_2_TEMPERATURA 0x01

#define DISPLAY_1_HUMEDAD 0x01

#define DISPLAY_2_HUMEDAD 0x01

int Menu=0;

int dig_1_temp, dig_2_temp;

int dig_1_hum, dig_2_hum;

// variables para sensor de humedad

unsigned int count = 0;

float temp;

float frecuencia;

float H = 0.0;

int Humedad;

// variables para sensor de tempoeratura

float Vin = 5.0; // [V] Voltage de entrada en el divisor de tension

float Raux = 10000; // [ohm] Valor de la resistencia secundaria del divisor de tension

float R0 = 10000; // [ohm] Valor de resistencia nominal del termistor (NTC) a 25ºC

float T0 = 298.15; // [K] (25ºC)

float Vout = 0.0; // [V] Voltage given by the Voltage-Divider

float Rout = 0.0; // [ohm] Resistencia actual del Termistor (NTC)

float beta = 4050.0; // [K] Parametro Beta

float TempK = 0.0; // [K] Temperatura de salida en grados Kelvin

int TempC = 0; // [ºC] Temperatura de salida en grados Celsius

float Rinf; // [ohm] Parametros Rinf

long iCont = 0; // Contador de ciclos, par el calculo de la temperatura media

float cTemp1; // Variable temporal para acumular las temperaturas leidas

// variables para ADC

unsigned int adc_data;

#define ADC_VREF_TYPE 0x40 //47

// I2C Bus functions

#asm

.equ __i2c_port=0x15 ;PORTC

.equ __sda_bit=1

.equ __scl_bit=0

#endasm

#include <i2c.h>

// DS1307 Real Time Clock functions

#include <ds1307.h>

// External Interrupt 0 service routine

interrupt [EXT_INT0] void ext_int0_isr(void)

{

if(Menu == 1){ // igualar minutos

minu = minu + 1;

delay_ms(100);

if(minu>59) minu = 0;

}

if(Menu == 2){ // igualar horas

hora = hora + 1;

delay_ms(100);

if(hora>24) hora = 0;

}

if(Menu == 3){ // igualar año

anyo = anyo + 1;

delay_ms(100);

if(anyo>99) anyo = 0;

}

if(Menu == 4){ // igualar mes

mes = mes + 1;

delay_ms(100);

if(mes>12) mes = 0;

}

if(Menu == 5){ // igualar dia

dia = dia + 1;

delay_ms(100);

if(dia>31) dia = 0;

}

// External Interrupt 1 service routine

interrupt [EXT_INT1] void ext_int1_isr(void)

{

if(Menu == 1){ // igualar minutos

minu = minu - 1;

delay_ms(100);

if((signed char)minu<0) minu = 59;

}

if(Menu == 2){ // igualar horas

hora = hora - 1;

delay_ms(100);

if((signed char)hora<0) hora = 23;

}

if(Menu == 3){ // igualar año

anyo = anyo - 1;

delay_ms(100);

if((signed char)anyo<0) anyo = 99;

}

if(Menu == 4){ // igualar mes

mes = mes - 1;

delay_ms(100);

if((signed char)mes<0) mes = 12;

}

if(Menu == 5){ // igualar dia

dia = dia - 1;

delay_ms(100);

if((signed char)dia<0) dia = 31;

}

// Timer1 output compare A interrupt service routine

interrupt [TIM1_COMPA] void timer1_compa_isr(void)

{

TCNT1H = 0x00;

TCNT1L = 0x00;

temp = (float)count;

frecuencia = temp*1.02554; //constante de calibración = 1.02354. Cálculo de humedad

H = (7792-frecuencia)*(0.09204);

Humedad = (int)H;

count = 0;

}

// Analog Comparator interrupt service routine

interrupt [ANA_COMP] void ana_comp_isr(void)

{

count = count+1; // Cálculo de frecuencia.

}

// Read the AD conversion result

unsigned int read_adc(unsigned char adc_input)

{

ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff);

// Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage

delay_us(10);

// Start the AD conversion

ADCSRA|=0x40;

// Wait for the AD conversion to complete

while ((ADCSRA & 0x10)==0);

ADCSRA|=0x10;

return ADCW;

}

// Declare your global variables here

void main(void)

{

// Declare your local variables here

PORTA=0x00;

DDRA=0x7F;

PORTB=0x00;

DDRB=0xF1;

PORTC=0x00;

DDRC=0xFC;

PORTD=0x00;

DDRD=0xF3;

// Timer/Counter 1 initialization

// Clock source: System Clock

// Clock value: 31,250 kHz

// Mode: CTC top=OCR1A

// OC1A output: Discon.

// OC1B output: Discon.

// Noise Canceler: Off

// Input Capture on Falling Edge

// Timer1 Overflow Interrupt: Off

// Input Capture Interrupt: Off

// Compare A Match Interrupt: On

// Compare B Match Interrupt: Off

TCCR1A=0x00;

TCCR1B=0x0C;

TCNT1H=0x00;

TCNT1L=0x00;

ICR1H=0x00;

ICR1L=0x00;

OCR1A=(31250-1);

OCR1BH=0x00;

OCR1BL=0x00;

// External Interrupt(s) initialization

// INT0: On

// INT0 Mode: Falling Edge

// INT1: On

// INT1 Mode: Falling Edge

// INT2: Off

GICR|=0xC0;

MCUCR=0x0A;

MCUCSR=0x00;

GIFR=0xC0;

// Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization

TIMSK=0x10;

// Analog Comparator initialization

// Analog Comparator: On

// Interrupt on Rising Output Edge

// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off

ACSR=0x0B;

SFIOR=0x00;

// ADC initialization

// ADC Clock frequency: 500,000 kHz

// ADC Voltage Reference: AVCC pin

ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff;

ADCSRA=0x84;

// I2C Bus initialization

i2c_init();

// DS1307 Real Time Clock initialization

// Square wave output on pin SQW/OUT: Off

// SQW/OUT pin state: 0

rtc_init(0,0,0);

rtc_get_time(&get_hora,&get_minu,&get_seg);

rtc_get_date(&get_dia,&get_mes,&get_anyo);

delay_ms(100);

hora = get_hora;

minu = get_minu;

seg = get_seg;

dia = get_dia;

mes = get_mes;

anyo = get_anyo;

rtc_set_time(hora,minu,seg);

rtc_set_date(dia,mes,anyo);

// Global enable interrupts

#asm("sei")

while (1){

Menu = 0; modo normal

Menu = 1; modo de igualar minutos

Menu = 2; modo de igualar horas

Menu = 3; modo de igualar Años

Menu = 4; modo de igualar meses

Menu = 5; modo de igualar días

Menu = 6; modo de guardar en memoria tiempo y fecha actualizada

if (PINB.1 == 1){ // Botón de Menú

Menu = Menu + 1; // menu en modo de igualar hora y fecha

delay_ms(500); // retrazo para evitar rebotes

}

if (Menu == 6){

rtc_set_time(hora,minu,seg); // menu en modo de grabar en memoria del DS1307 el tiempo y fecha actualizada.

rtc_set_date(dia,mes,anyo);

delay_ms(1000);

Menu = 0;

}

PORTD.6 = DISPLAY_2_TEMPERATURA & 0x00;

PORTB.0 = DISPLAY_2_HUMEDAD & 0x00;

if(Menu == 0){ // obtener el tiempo y fecha en modo normal

rtc_get_time(&hora,&minu,&seg);

rtc_get_date(&dia,&mes,&anyo);

}

cTemp1=0;

if (iCont<=50000){

Rinf=R0*exp(-beta/T0); // = 0.0126079

adc_data=read_adc(7); // leo el canal ADC 7

// Cálculo del valor de la resistencia termistor (NTC) actual (a través de Vout)

Vout = Vin*(adc_data)/1023.0;

Rout = (Raux*Vout/(Vin-Vout));

// Calculo de la temperatura en grados Kelvin

TempK=log(Rout/Rinf);

TempK=(beta/TempK);

// Calculo de la temperatura en grados Celsius

TempC=TempK-273.15;

// Almacenamos la temperatura (grados Celsuis) actual para despues obtener la media

cTemp1 = cTemp1 + TempC;

delay_us(10);

iCont ++;

}

else{

// Calculamos la temperatura media

TempC = (int)(cTemp1/iCont);

delay_us(10);

iCont=0;

}

// Convierto los digitos a BCD y los divido en dos partes de 4 bits para cada display.

seg_BCD = bin2bcd(seg); dig_2_seg = (seg_BCD&0xF0)>>4; dig_1_seg = seg_BCD&0x0F;

minu_BCD = bin2bcd(minu); dig_2_min = (minu_BCD&0xF0)>>4; dig_1_min = minu_BCD&0x0F;

hora_BCD = bin2bcd(hora); dig_2_hora = (hora_BCD&0xF0)>>4; dig_1_hora = hora_BCD&0x0F;

TempC = bin2bcd(TempC); dig_2_temp = (TempC&0xF0)>>4; dig_1_temp = TempC&0x0F;

dia_BCD = bin2bcd(dia); dig_2_dia = dia_BCD&0xF0; dig_1_dia = (dia_BCD&0x0F)<<4;

mes_BCD = bin2bcd(mes); dig_2_mes = mes_BCD&0xF0; dig_1_mes = (mes_BCD&0x0F)<<4;

anyo_BCD = bin2bcd(anyo); dig_2_anyo = anyo_BCD&0xF0; dig_1_anyo = (anyo_BCD&0x0F)<<4;

Humedad = bin2bcd(H); dig_2_hum = Humedad&0xF0; dig_1_hum = (Humedad&0x0F)<<4;

// Realizo la miltiplexación de displays.

PORTA = dig_1_seg;

PORTB = dig_1_anyo;

PORTA.4 = DISPLAY_1_SEG;

PORTC.5 = DISPLAY_1_ANYO;

delay_ms(1);

PORTA.4 = DISPLAY_1_SEG & 0x00;

PORTC.5 = DISPLAY_1_ANYO & 0x00;

PORTA = dig_2_seg;

PORTB = dig_2_anyo;

PORTA.5 = DISPLAY_2_SEG;

PORTC.6 = DISPLAY_2_ANYO;

delay_ms(1);

PORTA.5 = DISPLAY_2_SEG & 0x00;

PORTC.6 = DISPLAY_2_ANYO & 0x00;

PORTA = dig_1_min;

PORTB = dig_1_mes;

PORTA.6 = DISPLAY_1_MIN;

PORTC.7 = DISPLAY_1_MES;

delay_ms(1);

PORTA.6 = DISPLAY_1_MIN & 0x00;

PORTC.7 = DISPLAY_1_MES & 0x00;

PORTA = dig_2_min;

PORTB = dig_2_mes;

PORTC.2 = DISPLAY_2_MIN;

PORTD.0 = DISPLAY_2_MES;

delay_ms(1);

PORTC.2 = DISPLAY_2_MIN & 0x00;

PORTD.0 = DISPLAY_2_MES & 0x00;

PORTA = dig_1_hora;

PORTB = dig_1_dia;

PORTC.3 = DISPLAY_1_HORA;

PORTD.1 = DISPLAY_1_DIA;

delay_ms(1);

PORTC.3 = DISPLAY_1_HORA & 0x00;

PORTD.1 = DISPLAY_1_DIA & 0x00;

PORTA = dig_2_hora;

PORTB = dig_2_dia;

PORTC.4 = DISPLAY_2_HORA;

PORTD.4 = DISPLAY_2_DIA;

delay_ms(1);

PORTC.4 = DISPLAY_2_HORA & 0x00;

PORTD.4 = DISPLAY_2_DIA & 0x00;

PORTA = dig_1_temp;

PORTB = dig_1_hum;

PORTD.5 = DISPLAY_1_TEMPERATURA;

PORTD.7 = DISPLAY_1_HUMEDAD;

delay_ms(1);

PORTD.5 = DISPLAY_1_TEMPERATURA & 0x00;

PORTD.7 = DISPLAY_1_HUMEDAD & 0x00;

PORTA = dig_2_temp;

PORTB = dig_2_hum;

PORTD.6 = DISPLAY_2_TEMPERATURA;

PORTB.0 = DISPLAY_2_HUMEDAD;

delay_ms(1);

}

Imágenes del proyecto concluido

Descargas

Programa en CodeVisionAVR y HEX.

http://www.mediafire.com/download/a9e6eatwnqi7x1v/Reloj.rar

Esquemático y diseño PCB En Proteus V 7.8

http://www.mediafire.com/download/932qfzyk535yd93/Esquematico+y+PCB.rar

Si no funciona con la librería DS1307 actual del programa CVAVR puedes usar estas librerías adjuntas, solo tienes que pegarlas en la dirección que se instalo el programa.

http://www.mediafire.com/download/6xtr88ms56og8x8/Librerias+DS1307.rar

Reloj Calendario con Temperatura y Humedad

lunes, 30 de marzo de 2015

Reloj Calendario con temperatura y Humedad en CodeVisionAVR