LED Binäruhr

Eine Binär Wanduhr, die Uhrzeit wird Binär Codiert auf Flächen LEDs angezeigt.

Binär Uhr Platine gesamtansicht Mit den Bau der Binär Uhr wollte ich Erfahrungen für weitere Projekte im Bereich Platinen Design sammeln. Diese erste Version der Uhr hat noch ein paar Unannehmlichkeiten, die vielleicht in einer neueren Variante behoben werden.
Die Anzeige der Uhrzeit erfolgt über 20 in 3 Gruppen angeordneter Flächen LEDs, von rechts nach links stehen die Gruppen für Sekunden Minuten und Stunden. Die anzeige der zahlen ist Binär beziehungsweise BCD Codiert, wie diese Systeme Funktionieren erfährst du ->Hier<-.

Jede hochkante reihe Steht für eine Dezimale Zahl, von oben nach unten verfügen die LEDs über verschiedene Wertigkeiten

LED Nummer (von unten)Wertigkeit
11
22
34
48
Durch das Addierer der einzelnen Wertigkeiten ergibt sich die Dezimale Ziffer.

Binäruhr Platine LEDs im Dunkeln

Funktion:

Die Logik der Binäruhr basiert auf einen älteren Logisim Projekt auf meiner Seite, welches du ->hier<- findest. Mit der Ausnahme das die Binär verarbeitete Uhrzeit mit Hilfe von BCD zu 7 Segment Wandlern auf 7 Segment Anzeigen Dargestellt.
Die Schaltung lässt sich in 3 Gruppen einteilen: Taktgenerierung, Zähler Einheiten und Rücksets Logik

Taktgenerierung:

Jeder Einzelne Speicherstelle (JK Flip-Flop) wirkt als Frequenzteiler das heist das sich an jeden Ausgang der verketteten Speicherstellen die Frequenz halbiert 2Hz→1Hz und 1Hz→0,5Hz usw. damit die erste LED also mit 1Hz Blinkt muss am Eingang der erste Speicherstelle ein Signal mit 2Hz vorhanden sein.

Den Takt erzeugt ein 4,194304MHz Quarz, um ein Signal von 2Hz zu erzeugen muss die Frequenz durch 2^21(2.097.152) geteilt werden. Dieses Signal wird an das erste JK Flip-Flop geleitet.

Zähler Einheiten:

Binäruhr Platine ICs JK Flip-Flop AND Gate NOT Gate Die Zähl Einheiten bestehen aus zu T Flip-Flops verschalteten JK Flip-Flops. Sie sind so verdrahtet das der Ausgang des ersten JKs zum Eingang des nächsten JKs führt, so ergibt sich ein zähl Mechanismus. Je nach stelle sind verschiedene lange Ketten an hintereinander geschalteten Jks notwendig, für die reihen in den 4 LEDs sind werden 4 JKs benötigt. Für die reihen mit 3 LEDs sind 3 Jks und für die reihe mit 2 werden 2 JKs benötigt.
Die Ausgänge der JKs werden zum einen als Takt (Eingang) für das nächsten JK genutzt, zum anderen steuern sie direkt die LEDs an und werden in der Rücksetz Logik verarbeitet.
Das die LEDs direkt über die ICs gespeist werden ist nicht die beste Lösung, Laut Datenblatt können die JKs pro Ausgang 20mA zu Verfügung stellen. Wen sie dieses Projekt nachbauen möchten Schalten sie mit den JKs Transistoren die dan die LEDs Schalten, weil sonst die JKs überlastet werden.

Rücksets Logik:

Jede reihe LEDs spiegelt eine Dezimale Zahl wieder damit die Uhr nach 10 Sekunden, 10 Minuten, 12 Stunden und 60 Sekunden, 60 Minuten und 24 Stunden in die nächste größere Stelle weiter schaltet ist ein Logik aus AND und NOT Gattern so verschaltet. In der unteren Tabelle sind die Kombinationen für das Weiterschalten der einzelnen Stellen angegeben:

StelleLED1234Funktion
Wertigkeit1248-
Secunden 10101Q = 1_ * 2 * 3_ * 4
Secunden 20110Q = 1_ * 2 * 3_ * 4_
Minuten 10101 Q = 1_ * 2 * 3_ * 4
Minuten 20110 Q = 1_ * 2 * 3_ * 4_
Stunden 10101 Q = 1_ * 2 * 3_ * 4
Stunden 10010 Q = 1_ * 2_ * 3_ * 4_ * 2 <= ( von Stunden 2)
Stunden 20100 Q = 1_ * 2 * 3_ * 4_

Da die Stellen nur Hochgezählt werden könnte man die Weiterschaltfunktionen noch vereinfachen in dem nur die Positiven Signale abgefragt werden. Durch diesen schritt kann die Gatter Anzahl nochmal gesenkt werden. In diesen Fall wurde aber nach der Längeren Funktion gearbeitet.

StelleLED =>1234Funktion
Wertigkeit1248-
Secunden 10101Q = 1_ * 2 * 3_ * 4 => Q = 2 * 4

Verwendete Bauteile und Software:

Bauteile:

AnzahlTypHersteller
x11JK Flip Flop SN74HC109NTexas Instruments
x4NOT Gatter SN74HC04NTexas Instruments
x5AND Gatter HD74HC08P-
x124 Bit Binärzähler CD4521BETexas Instruments
x122pF Kondensator-
x182pF Kondensator-
x14,7M Ohm Widerstand-
x12,2K Ohm Widerstand-
x14,194304MHz Quarzoszillator-
x20Flächen LEDs RotKingbright
x2036 Ohm Widerstand-

Software:

  • Logisim
  • Geda PCB

Durchführung:

Binäruhr Platinen Layout Geda PCB Wie Bereits erwähnt basiert die Idee auf einer Anderen Uhr die ich in der Logik Simulations- Software Logisim entworfen habe. Denn Anfang machte auch hier die Simulation der Uhr in Logisim. Anschließend habe ich ich die verwendeten ICs in Logisim Nachgebaut und Damit die Schalten erneut Simuliert, dieser Entwurf diente auch als Vorlage für das Platinen Layout.
Die Platine habe ich in Geda PCB unter Debian entworfen welches Teil des Geda Software Paketes ist. Die Leiterbahnen sind händisch verlegt weshalb sich leider auch 2 Fehler eingeschlichen haben.
Der erste Fehler war eine Leiterbahn die nicht ganz bis an den IC Pin heran ging sondern 1 mm vorher aufhörte. Der zweite Fehler ist eine Leiterbahn die zu nahe an einen Pin von einen Widerstand vorbei ging und deshalb einen Kurzschluss verursachte. Ein weiterer Fehler hat sich bereits beim umsetzen des Logisim IC Entwurf eingeschlichen, wodurch die Uhr bereits bei 14 Stunden zurückgesetzt wurde. Um den Fehler zu beheben musste nachträglich Löcher gebohrt werden und ein Weiteres NOT Gatter IC eingesetzt werden. Die Verbindung wurden dan mit Korrektur-Draht ausgebessert und die Alter Verbindung mit den Skalpell getränt.
Die Spannungsversorgung Beträgt 5V DC und muss über ein externes Netzteil erfolgen, für den Anschluss sind 2 Pins vorgesehen.

Fazit und Verbesserungen:

Für die Erste Platine ist es recht gut gelungen, auch wenn sich mehrere Fehler eingeschlichen haben. Allerdings bleibt noch viel Verbesserungspotenzial so ist es nicht möglich die Uhr zu stellen, sie muss um 24 Uhr eingeschaltet werden. Hierfür wären entweder Taster Praktisch oder eine Funk Uhr. Ein weiteres Problem ist die Helligkeit, die Uhr Leuchtet im Dunkeln sehr hell ein Poti zum einstellen wäre eine weitere Verbesserung.

Die Datei zum Download:

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