Programmierung - Grundlagen
Schulstunden-Countdown-Timer mit 4x7-Segment LED-Display
Wer kennt das nicht: Langweilige Geschichts- oder Religionsstunden die einfach nicht enden wollen. Man blickt immer wieder auf die Armbanduhr um festzustellen, wie lange sich die Schulstunde noch hinzieht. Dabei muss man aber immer nachrechnen wie viel Zeit noch verbleibt. Hier kommt der Schulstunden-Contdown-Timer ins Spiel. Wenn er zu Beginn der Unterrichtsstunde gestartet wird, zeigt er immer direkt die noch verbleibenden Minuten in großen Leuchtziffern an. Das lästige Nachrechnen entfällt.
von GSG Elektronik
Hardware
Der Timer kann sehr kompakt aufgebaut werden. Neben einem ATmega8 Microcontroller ist nur wenig externe Hardware erforderlich. Als Display kommt eine 4x7-Segment-LED-Anzeige zum Einsatz. Diese wird im sogenannten Multiplex-Verfahren betrieben. Das bedeutet, dass nicht alle Ziffern gleichzeitig aktiv sind, sondern zeitlich nacheinender angesteuert werden. Dadurch kann der Hardware-Aufwand deutlich reduziert werden. Anstelle von 4 x 7 =28 Kathoden-Anschlüssen plus 4 Anoden insgesamt also 32 Leitungen sind im Multiplexbetrieb nur 11 Signalleitungen (7 Kathoden + 4 Anoden) erforderlich.
Wenn die einzelnen Ziffern in schneller Abfolge eingeschaltet werden entsteht durch die Trägheit des Auges der Eindruck einer flimmerfreien Ziffernanzeige. Die dafür erforderliche Schaltfrequenz liegt bei einigen hundert Hertz und kann mit einem Mikrokontroller leicht realisiert werden.
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Die jeder Ziffer gemeinsame Anode wird über einen Transistor angesteuert, da hier vergleichsweise hohe Summenströme fließen. Die einzelnen Kathoden der Segmente können direkt über Widerstände an einen Port-Pin angeschlossen werden.
Die Spannungsversorgung kann zwischen 2,7 und 5 V gewählt werden. Am oberen Ende des Spannungsbereichs sind die Kathodenwiderstände eventuell etwas größer zu wählen.
Beim hier vorgestellten Aufbau kamen 3 x 1,25 V, 200 mAh NiMeH-Akkuszellen zum Einsatz, damit wird eine Standzeit von mehreren Stunden erreicht. Das ist für einen langweiligen Schultag vollkommen ausreichend. Die Akkuhalterung entstand im Eigenbau aus einem PVC-U-Profil wie es günstig in jedem Baumarkt erhältlich ist.
WARNUNG: Beim Umgang mit Akkuzellen größte Vorsicht walten lassen. Diese Zellen liefern Kurzschlusströme von 10 A und mehr. Für Testaufbauten immer Trockenbatterien verwenden. Erst wenn die Schaltung vollständig geprüft und in Ordnung ist, dürfen Akkus eingesetzt werden.
Firmwarestruktur
Die Firmware besteht im Wesentlichen aus einem einfachen Abwärtszähler. Dieser wird mit 45 Minuten und 00 Sekunden initialisiert. Beim Herunterzählen ist natürlich zu beachten, dass beim Zählerstand von XX:00 die Minutenzahl um eins reduziert wird und die Sekundenzahl auf 59 springt.
Nach Ablauf der Zählschleife wird im Display 5 Sekunden lang 00:00 kontinuierlich angezeigt, danach geht die Anzeige in einen Blink-Modus über.
Die Ansteuerung des LED-Displays erfolgt im Modul LED_display.h. Die Ziffernaugabe-Routine in diesem Submodul wird vom Hauptprogramm über einem Interrupt aufgerufen.
Dies ist erforderlich um eine möglichst störungsfreie und gleichmäßige Multiplexfrequenz zu gewährleisten. Der Anschluß des Displays ist in der Routine schematisch dargestellt:
/* 4 x 7 digit LED display control
* Commmon anode with PNP drivers on PC0..PC2
* cathodes on PD0..PD7
*
* PC3 PC0 PC1 PC2
* | | | |
* aaa aaa aaa aaa
* f b f b DP f b f b
* ggg ggg ggg ggg
* e c e c DP e c e c
* ddd ddd ddd ddd
*
*/
Für die Ansteuerung des LED-Displays wird eine einfache Look-Up-Tabelle verwendet, in welcher festgelegt ist, welches Segment mit welchem Port verbunden ist.
Dabei ist der Prozessorport D für die einzelnen Segmente zuständig, während die Portpins C0...C3 die Anoden der einzelnen Ziffern sequentiell ansteuern.
Die komplette Firmware kann hier herunter geladen werden
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 | AVR-RISC Produktart: Buch, Hardcover, 250 Seiten, CD Rom
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Wenn die einzelnen Ziffern in schneller Abfolge eingeschaltet werden entsteht durch die Trägheit des Auges der Eindruck einer flimmerfreien Ziffernanzeige. Die dafür erforderliche Schaltfrequenz liegt bei einigen hundert Hertz und kann mit einem Mikrokontroller leicht realisiert werden.
