Gadget COSTRUIAMO UN OROLOGIO 3D A LED Rivisitazione in chiave moderna della meridiana: funziona senza sole e disegna tre ombre, corrispondenti ad ore, minuti e secondi. di BORIS LANDONI S e vi domandassimo come è fatto un orologio senza lancette, senza parti in movimento, instintivamente il grosso di voi risponderebbe che è un orologio a cristalli liquidi, con display a LED o con le nixie, o che magari proietta le ore su un muro. Ebbene, quasi nessuno immaginerebbe che c’è un altro modo per realizzare un orologio allo stato solido, a parte usare la meridiana, s’intende; in queste pagine vi spieghiamo come farlo. Più esattamente vi proponiamo il progetto di un orologio che funziona ad ombre, il cui principio di funzionamento è analogo a quello della meridiana, solo che Elettronica In ~ Ottobre 2010 57 Schema a blocchi nel circuito e può essere impostata mediante comuni pulsanti, tramite una procedura molto semplice. Per rendere più evidenti le lancette conviene impiegare diodi luminosi a ristretto angolo di emissione, in modo che la luce punti dritta verso l’astina centrale invece che vedersi dal davanti; infatti in questo caso disturberebbe la visione del quadrante, mentre usando LED trasparenti a ristretto angolo di emissione essi non fanno praticamente luce di lato ed appaiono spenti. ANELLO SECONDI ANELLO MINUTI ANELLO ORE SOSTEGNO catodi anodi UNITÀ BASE funziona senza il sole, in quanto l’ora si legge meglio al buio. Inoltre, rispetto alla meridiana presenta il vantaggio di mostrare, oltre alle ore, i minuti e i secondi. Il nostro orologio sfrutta una struttura provvista di diodi luminosi che proiettano luce in modo da disegnare delle lancette virtuali. L’idea che sta alla base è molto originale e si basa sul proiettare luce verso un’asta posta al centro del quadrante, in modo che l’ombra creata disegni la lancetta. Il nostro orologio dispone di tre strati di led disposti in cerchio e puntati verso l’interno del quadrante, ognuno destinato a proiettare una lancetta sul fondo, perciò visualizza ore, minuti e secondi. Certo, a guardarlo non si direbbe che si tratta di un orologio, ma sembra piuttosto un soprammobile...una torta elettronica di Led a più strati, la miniatura di un’arena o il fantascientifico Stargate dell’omonimo film. 58 Ottobre 2010 ~ Elettronica In COME FUNZIONA Il nostro orologio sfrutta un principio molto semplice: quello della proiezione dell’ombra creata dall’illuminazione di un’asta perpendicolare al quadrante mediante diodi luminosi posti leggermente inclinati rispetto al piano del quadrante stesso; l’inclinazione dipende dalla lunghezza che si vuol dare alle lancette. I LED sono su tre piani, cioè uno per le ore, uno per i minuti e l’ultimo per i secondi. Ogni piano conta 12 diodi, in modo da poter proiettare le 12 ore, i minuti a scatti di 5 ed i secondi anch’essi a scatti di 5. Ogni fila viene accesa indipendentemente e il diodo illuminato illumina l’asta posta al centro del quadrante, proiettando l’ombra corrispondente alla propria lancetta. L’ora viene mantenuta in un modulo RTC (Real Time Clock) ossia un vero e proprio orologio digitale appositamente installato SCHEMA ELETTRICO Il circuito che controlla l’orologio è abbastanza semplice e viene gestito interamente da un microcontrollore, che ha la funzione di interrogare ciclicamente il modulo RTC siglato U3 e preparare i dati in modo da visualizzare l’ora nel formato sessagesimale; in pratica il firmware del micro non fa altro che estrarre dai dati sull’orario il valore delle ore, quello dei minuti e quello dei secondi, quindi accendere un LED per ciascuno. Il fatto che, poi, il led non sia visibile direttamente ma disegni un’ombra, è irrilevante ed ha senso solo ai fini dell’orientamento dei LED, ognuno dei quali deve accendersi nella direzione opposta a quella corrispondente. Ad esempio se bisogna indicare le 3, dei 12 riservati alle ore deve essere acceso quello delle 9, in quanto proietta luce contro l’asta posta al centro del quadrante fino a mostrare un’ombra che punta sulle 3. Tutto chiaro? Bene, vediamo adesso come si ottiene la proiezione: per risparmiare elettricità e soprattutto linee di I/O, abbiamo optato per un controllo in multiplex; diversamente, per accendere 12 diodi per le ore, altrettanti per i minuti ed altri 12 per i secondi, sarebbe- anche in questo caso la caduta a circa 0,5 V. In totale si perde 1 volt, il che è più che accettabile. I line-driver che chiudono a massa i catodi dei LED sono contenuti in due integrati ULN2003, ognuno dei quali ne contiene sette, composti ciascuno da una coppia di transistor NPN connessa a Darlington, la cui [schema elettrico - unità base] ro occorse ben 36 linee, che il micro con cui abbiamo voluto gestire il circuito (il noto PIC16F876A) non può offrirci. Senza contare che aggiungendo i pulsanti per le impostazioni (tre, in questo caso) e l’interfaccia di comunicazione seriale usata per acquisire i dati del modulo RTC, le linee di I/O di cui il microcontrollore dovrebbe disporre salirebbero a più di 40. Con la tecnica multiplex riusciamo a limitare ad appena 15 le linee richieste dal controllo del visualizzatore: 12 per i LED e tre per accendere alternativamente lo strato delle ore, quello dei minuti e quello dei secondi. Le linee corrispondenti ai tre gruppi di 12 LED sono RA0, RA1, RB0, RB1, RB4, RB5, RB6, RB7, RC0, RC1, RC2, RC3; tutte sono state dotate di un line-driver composto da un Darlington NPN, dato che la corrente erogabile dai pin di I/O del microcontrollore da sola non basterebbe. Questo perché altrimenti la caduta su di esse potrebbe impedire di raggiungere il valore di corrente necessario a far illuminare i diodi correttamente. Infatti per gestire i LED in multiplex ognuno deve essere comandato da una linea che chiude verso massa il catodo ed una che alimenta l’anodo; considerando che le linee di I/O del PIC16F876 in corrispondenza dei 25 mA che ci servono a far funzionare i LED con una discreta luminosità possono causare una caduta anche di 1,5 volt su ogni I/O, sarebbe difficile ottenere la tensione che serve a far illuminare i LED, in special modo quelli blu, che a 25 mA richiedono circa 3,5 V. Inserendo un line-driver verso massa riduciamo la caduta a linea attivata a circa 0,5 V; alimentando l’anodo di ogni LED con un transistor NPN invece che con un I/O del micro, riduciamo Elettronica In ~ Ottobre 2010 59 . e ch i ità M en s ile a ic on r tt e l E e d l ie w w it l a u r t t at lic pp a a, w .e le t t a fic n o à t at i sc o ,n i r o n ic a o n ec t a c i v t en g lo in t i . a c i on r t t le e ’ l e lo tr n I