ATmega48A Binary Clock

Dieses Projekt war Teil des Moduls “Hardwarepraktikum II (C405)” meines Bachelorstudiums an der HTWK Leipzig. Im Wintersemester 2023/24 habe ich in Zusammenarbeit mit meinem Kommilitonen Quentin Kleinert eine Binäruhr auf Basis des ATmega48A Mikrocontrollers entwickelt. Dies war einer von insgesamt vier praktischen Prüfungen des Kurses.

Zielsetzung

Aufgabe war es, eine funktionierende Binäruhr zu bauen, welche folgende Aufgaben erfüllt:

• Korrektes Anzeigen der Uhrzeit im 24-Stunden-Format mit minimaler Abweichung
• Manuelles Einstellen der Uhrzeit
• Helligkeitsregelung der LEDs über Pulsweitenmodulation (PWM)
• Stromsparmodus mit erheblicher Reduzierung des Stromverbrauchs

Umsetzung

Bauteile

Die Hauptkomponente der Uhr ist der ATmega48A Mikrocontroller, welcher die Steuerung und Logik übernimmt. Für die Anzeige der Uhrzeit wurden 11 LEDs bereitsgestellt. Dazu kommen drei Taster welche zur Bedienung der Uhr dienen. Ein Uhrenquarz mit 32.768 kHz sorgt für die genaue Zeitmessung. Des Weiteren waren noch ein Batteriehalter für eine CR2032 Knopfzelle und ein Pinheader für die Programmierung des Mikrocontrollers vorgesehen.

Design der Leiterplatte

Vorderseite	Rückseite

Die Leiterplatte wurde mit KiCad entworfen und anschließend mit der CNC-Fräse der HTWK gefertigt. Die Platine konnte von beiden Seiten bestückt werden, was beim Leiterplattendesign berücksichtigt werden musste. Wichtig waren hier vor allem zu beachten, das alle Anschlüsse des ATmega korrekt platziert sind, um eine einfache Verdrahtung zu ermöglichen.

Anschlüsskonfiguration der Bauteile

Löten und Zusammenbau

Nach dem die Platine designed und gefräst war, wurden alle Bauteile von Hand aufgelötet. Dies erforderte präzises Arbeiten, insbesondere bei dem ATmega48A, da bei diesem jeder der 28 Pins korrekt mit der Platine verbunden werden musste. Die LEDs wurden tiefer in die Platine eingelötet, damit sie nicht abbrechen.

Vorderseite	Rückseite

Programmierung

Grundlegendes

Die Programmierung der Binäruhr erfolgte in C unter Verwendung der AVR-Library für den ATmega48A Mikrocontroller. Die Uhrzeit wird intern als Struct mit Stunden und Minuten gespeichert und über die zwei LED-Gruppen im Binärformat angezeigt.

typedef struct {
    uint8_t hours;
    uint8_t minutes;
} time_t;

Uhrenlogik

Die Uhrzeit wird mittels Timer2 und einem 32.768 kHz Uhrenquarz präzise gemessen. Die Initialisierung erfolgt in der Funktion setup_timer2_asynchronous(), bei der Timer2 in den asynchronen Modus versetzt wird (ASSR |= (1 << AS2)), sodass er direkt vom Quarz getaktet wird. Der Timer erhält einen Prescaler von 128, wodurch die Überlauf-Intervalle genau auf die Sekunde abgestimmt werden. Der Prescaler von 128 wird gewählt, weil er zusammen mit dem 32.768 kHz-Quarz dafür sorgt, dass der Timer2-Überlauf exakt einmal pro Sekunde auftritt. Das ergibt sich aus der Formel:

Sekunden = (Quarzfrequenz / Prescaler) / 256

Mit 32.768Hz / 128 = 256 Hz, und 256 Timer-Schritte (8-Bit-Timer) ergibt genau 1 Hz, also einen Überlauf pro Sekunde. So kann die Uhrzeit sekundengenau gezählt werden. Die Interrupt-Service-Routine (ISR) für den Timer2-Overflow (ISR(TIMER2_OVF_vect)) erhöht bei jedem Aufruf die Sekunden. Sobald die 60 Sekunden erreicht werden startet der Zähler wieder bei 0 und es wird eine Minute inkrementiert. Analog dazu werden bei 60 Minuten die Stunden erhöht, und bei 24 Stunden wird wieder auf 0:00 Uhr gesetzt.

Helligkeitssteuerung

Die Helligkeitssteuerung der LEDs erfolgt mittels Pulsweitenmodulation (PWM), wodurch die Helligkeit in mehreren Stufen angepasst werden kann. Im Prinzip werden die LEDs sehr schnell ein- und ausgeschaltet, sodass das menschliche Auge dies als unterschiedliche Helligkeitsstufen wahrnimmt. Je länger die LEDs eingeschaltet sind, desto heller erscheinen sie.

Pulsweitenmodulation (PWM)

Ein PWM-Zyklus besteht aus mehreren 12 Phasen. In jeder Phase wird geprüft, ob die LED leuchten soll oder nicht. Je nach gewählter Helligkeitsstufe ist die LED für mehr oder weniger Phasen eingeschaltet. Ist sie z.B. 8 von 12 Phasen an, wirkt sie heller als wenn sie nur 2 von 12 Phasen leuchtet.

Die Entscheidung, ob eine LED im aktuellen PWM-Zyklus an oder aus ist, erfolgt durch einen Vergleich innerhalb der ISR. Dabei wird die Variable current_pwm_step (aktueller Schritt im Zyklus) mit dem Wert (max_dimming_steps - current_dimming_step + 1) verglichen: max_pwm_steps gibt die Gesamtzahl der Schritte pro PWM-Zyklus vor, in diesem Fall 12. current_pwm_step zählt von 0 bis max_pwm_steps - 1. Die LED ist an, solange current_pwm_step < (max_dimming_steps - current_dimming_step + 1) gilt. Ist der Wert größer oder gleich, ist die LED aus. Dadurch ergibt sich das Tastverhältnis: Je niedriger current_dimming_step, desto länger ist die LED an (heller). Je höher der Wert, desto kürzer ist sie an (dunkler). Beispiel

max_pwm_steps = 12 
max_dimming_steps = 4 
current_dimming_step = 2 // mittlere Helligkeit

current_pwm_step < max_dimming_steps - current_dimming_step + 1
→ (4 - 2 + 1) = 3
→ current_pwm_step < 3

Die LED ist in den ersten 3 von 12 Schritten an, danach aus. Das ergibt eine dunkle Stufe.

Timer1 Konfiguration

Die PWM wird über den Timer1 realisiert. Dieser wird als Compare Match Interrupt genutzt. Ein Compare Match Interrupt ist ein spezieller Interrupt, welcher ausgelöst wird, wenn der aktuelle Zählerstand des Timers mit einem vorher festgelegten Vergleichswert (Compare Value) übereinstimmt. Des Weiteren wird der Tmer im CTC-Modus betrieben, was für " Clear Timer on Compare Match" steht und bedeutet, dass der Timer nach jedem erreichen des Vergleichswerts auf 0 zurückgesetzt wird. Diese Konfigurationen finden in der Funktionsetup_timer1_for_pwm()statt.

Stromsparmodus

Der Stromsparmodus wird aktiviert, wenn die Uhr für eine bestimmte Zeit (Standard 2:30 Minuten) nicht bedient wird. In diesem Modus werden die meisten Funktionen der Uhr deaktiviert, um den Stromverbrauch zu minimieren. Der Mikrocontroller wird in den Power-Down-Modus versetzt, wodurch nur noch der Timer2 aktiv bleibt, um die Zeit weiter zu zählen. Sobald eine der Tasten gedrückt wird, wird der Stromsparmodus verlassen und die Uhr kehrt in den normalen Betriebsmodus zurück.

Extras

Startsequenz

Beim Anschalten der Uhr wird ein Start-Pattern auf den LEDs angezeigt, um zu signalisieren, dass die Uhr betriebsbereit ist. Danach wechselt die Uhr auf die gesetzte Startzeit (Standard 12:00 Uhr).

Genauigkeitsmessung

Des Weiteren ist noch ein Modus implementiert, in dem die Genauigkeit der Uhr überprüft werden kann. Dieser wechselt am PIN PD0 jede Sekunde den Zustand, sodass mit einem Oszilloskop die Frequenz des Quarzes gemessen werden kann. Dies dient dazu, dass die Abweichung der Uhrzeit überprüft werden kann.