Koncept binárních hodin zaujal mnoho konstruktérů a nadšenců do elektroniky. V tomto článku se podrobně podíváme na principy fungování binárních hodin a představíme si několik zajímavých projektů, včetně kapesních hodin s vlastním designem, lineárních hodin vyrobených pomocí 3D tisku a digitronových hodin s elektronkovým řízením.
Co jsou binární čísla?
V binární (dvojkové) soustavě zapisujeme čísla pouze pomocí dvou číslic: 0 a 1. Pozice každé číslice v zápisu odpovídá určité mocnině dvojky. Mocniny vždy začínají nultou mocninou u číslice nejvíc vpravo a zvyšují se směrem doleva. Hodnotu binárního čísla pak spočteme jako součet těchto mocnin. Abychom odlišili, jestli mluvíme o čísle v binární nebo v desítkové soustavě, přidáváme k číslům dolní indexy značící soustavu. Například číslo 5 v desítkové soustavě budeme psát jako 510, binární číslo s hodnotou 5 napíšeme jako 1012.
Pro základní představu o binárních číslech můžeme použít pomůcku, kterou máme vždy po ruce - totiž ruku samotnou. Pak můžeme na prstech jedné ruky počítat nejen do pěti, ale až do třiceti jedné. Každé číslo lze totiž vyjádřit (jednoznačně) jako součet mocnin dvojky.
Kapesní binární hodiny s mikroprocesorem
Idea binárních hodin se mnohým líbí, nicméně žádný z oficiálních produktů ani internetových bastlů neměl design jednoho binárního čísla pro každou časovou jednotku. Proto vznikl projekt kapesních hodin dle vlastního návrhu. Hlavní početní jednotkou hodin byl zvolen poměrně levný mikroprocesor PIC16F627. Program byl psán v Assembleru ve vývojovém prostředí MPLAB X IDE v1.40 a do zařízení nahráván přes programátor PicKit 2. V tomto složení lze naprosto pohodlně ladit program na Linuxu.
Protože bylo schéma zapojení navrhováno samostatně, a bylo to první schéma autora, obsahuje některé části, které lze vypustit, jako například diody nebo pull-up rezistory, které lze nahradit softwarově, nebo části, které by šly na DPS rozložit lépe. Displej má čtyři řádky. První zobrazuje hodiny, druhý minuty, třetí vteřiny a čtvrtý dny v týdnu. Pro možnost zobrazení všech hodnot v 24h formátu to tedy znamená 5+6+6+3 diody.
Nicméně bylo potřeba ještě nějak zobrazovat různé operační stavy (zobrazení času, stand-by režim, přenastavování času…), a proto byl přidán sloupec čtyř červených LED SMD diod vpravo. Řídicí jednotka má velikost cca 5,5^2 cm^2, čímž byl splněn jeden ze záměrů - kompaktnost.
Mikroprocesor posílá část dat na displej přes posuvný registr 4094, čímž byly ušetřeny piny. Zařízení je ovládáno čtyřmi tlačítky a jeden pin zůstal volný, ponechán pro pozdější využití.
Výdrž baterie
Výdrž zařízení velmi ovlivňuje mód, v kterém je zařízení používáno.
- První mód zobrazuje čas neustále, v takovém stavu by vydrželo maximálně několik dní.
- Druhý mód zobrazuje čas přerušovaně každou druhou vteřinu, výdrž však prodlouží maximálně o několik dní.
- Třetí mód nechá displej vypnutý. Čas si tedy zobrazíte jen když to opravdu potřebujete a zařízení takto vydrželo cca 10 měsíců.
K napájení se používají 2x AA baterie.
Lineární hodiny s 3D tiskem
Dalším zajímavým projektem jsou lineární hodiny, jejichž návrh, konstrukce a výroba byly popsány v jedné bakalářské práci. V první části jsou popsána nynější řešení lineárních hodin. Druhá část popisuje návrh a výrobu prototypu lineárních hodin. Hodiny řídí mikrokontrolérová jednotka Arduino UNO, samotné měření času zprostředkovává modul reálného času a pohyb ukazatelů času zprostředkovává dvojice krokových motorů. Realizace je provedena pomocí 3D tisku.
Pro výrobu ozubeného hřebene, jehož délka je 240 mm, zatímco stavební prostor tiskárny je pouze 220 mm, bylo nutné zvolit specifické výrobní postupy. Prizmatické vedení bylo zvoleno pro výrobu technologií 3D tisku s ohledem na jeho výhody. Výdrž hodin byla optimalizována a byla měřena přesnost hodin.
Digitronové hodiny s elektronkovým řízením
Dalším ambiciózním projektem byly digitronové hodiny, kde řídící logika byla celá z elektronek. Tento projekt zahrnoval stavbu klopných obvodů, které byly osazeny elektronkami ECC82. Problémem bylo, že klopné obvody sice ochotně rozsvěcovaly doutnavky, ale na digitrony to nestačilo. Počítání a měnění hodnot odporů nevedlo k uspokojivým výsledkům, buď v digitronu svítilo víc čísel najednou, nebo se čítač zasekl.
V originálu pro buzení digitronů používali optočlánek složený z doutnavky a fotoodporu. Představa montáže téměř 50 doutnavek a fotoodporů však byla děsivá. Nakonec se jako řešení ukázalo použití doutnavek indikujících přímo stav klopného obvodu, místo složitého dekodéru „binár na jedna z deseti.“
Původní vize byla, že první elektronka bude oscilátor stabilizovaný krystalem 32768Hz, pak bude 15 elektronek postupně dělit kmitočet, každá dvěma až na 1Hz. Dále bude čítač vteřin, pak desítek vteřin a z něho bude výstup minut a tak dál...a na konci bude čítač dnů v týdnu. Největší potíže byly s oscilátorem, který zpočátku nepracoval správně. Po výměně součástek a pečlivém ladění se krystal nakonec chytil. Frekvence musela být co nejblíže frekvenci krystalu.
Problémy způsobovaly i samotné elektronky. Po zakoupení krabice triod, které byly prodávány jako "měřené špatné", bylo nutné postupně vyměňovat elektronky, dokud osciloskop neukazoval pravidelný obdélníkový průběh správné frekvence. Nakonec více než polovina elektronek spolupracovala. Po zapojení čítačů a doutnavek se vše obešlo bez problémů.
Zdrojem celého zařízení je transformátor 100VA. Většina výkonu (70VA) jde na žhavení elektronek, které chtějí při 12,3V 5,8A. Příkon hodin ze sítě je 100W. Při pohledu na 40 nažhavených elektronek je to více než příznivá hodnota.
Digitronové hodiny s MH106 - první testování/Nixie tube clock - first testing
Klopný obvod se skládá z dvou triod, které jsou vázány tak, že vždy je jedna „otevřená“ a druhá „zavřená“ a když jednu začneme otevírat, tak se druhá zavírá. Pro funkci jsou důležité kondenzátory mezi anodou a mřížkou, jejichž náboj určuje, která elektronka se otevře při příštím impulzu vstupního signálu. Signál přichází do klopného obvodu ve formě krátkého prudkého poklesu napětí na anodách obou elektronek.
