Transmisor experimental DCF77

Construcción de un sencillo transmisor de 77,5 KHz, para poder poner en hora los relojes DCF77 que no reciban correctamente la señal del transmisor de Alemania. DCF77 es una estación de radio situada en Alemania, que transmite en onda larga (LW). Comenzó a funcionar como una estación de frecuencia estándar el 1 de enero de 1959, y a partir de junio de 1973 se incorporó en la transmisión la información de la fecha y la hora. La señal DCF77 utiliza la codificación de cambio de amplitud para transmitir información de tiempo, codificada digitalmente al reducir la amplitud de la portadora hasta un 15% de su nivel nominal durante 0,1 o 0,2 segundos, al comienzo de cada segundo. Una reducción de 0,1 segundos indica un 0 binario; y una reducción de 0,2 segundos indica un 1 binario.

En hora con DCF77

Diseño de un transmisor DCF77

A pesar de la gran precisión en frecuencia y fase con la que se transmiten las señales DCF77 desde el transmisor de Alemania, los relojes de uso doméstico no comprueban la información que reciben con tanta precisión.

Un reloj DCF77 sólo necesita recibir una portadora de 77,5 KHz, con amplitud variable al ritmo de cada segundo y la codificación de tiempo adecuada. Si colocamos un pequeño transmisor de 77,5 KHz en las proximidades de un reloj DCF77, la portadora podría tener una deriva en frecuencia de +/-300 Hz, no incluir la modulación en fase, y aumentar la profundidad de modulación en amplitud hasta el 100%. Así es posible transmitir la información DCF77 con una modulación ASK.

Todo esto facilita mucho la construcción de un transmisor experimental, que nos permita actualizar la hora de los relojes DCF77 que no estén situados en un lugar favorable para recibir las señales horarias desde el transmisor de Alemania.

Otra ventaja de disponer de un pequeño transmisor DCF77, es que podríamos utilizar estos relojes en lugares en los que nunca podrían funcionar… en América, Asia, etc.

Desde hace años estoy utilizando pequeños transmisores para sincronizar relojes DCF77, pero los dos transmisores que tengo están diseñados con algunos componentes electrónicos que actualmente son difíciles de encontrar. Por ese motivo voy a construir un nuevo transmisor DCF77, barato y muy sencillo de construir. El nuevo transmisor está construido a partir del microprocesador ATmega328P, utilizado en las placas de desarrollo Arduino UNO.

El transmisor se encarga de generar la frecuencia portadora (77,5 KHz) y controlar su modulación, interrumpiendo la señal de RF (ASK). Con el fin de facilitar el transporte y ubicación en el lugar más favorable al reloj o relojes a sincronizar, el transmisor es de baja potencia y está alimentado con una batería de Li-ion (3,7V).

La codificación DCF77 la genera una aplicación para PC, y la envía al transmisor mediante el hilo RTS de un puerto serie. Actualmente ningún PC dispone de un puerto serie (DB9), pero es muy fácil y barato conseguir un interface USB-RS232.

(Actualizado: Septiembre 2020)

El archivo que necesitas para programar el ATmega328P, lo puedes descargar de forma gratuita desde el siguiente enlace: TX_DCF77.rar

Software de control DCF77

Con el fin de poder programar y controlar el reloj LED de esfera rotante, he creado una aplicación para Windows (DCF77.exe), la cuál también incluye la funcionalidad de generar las señales DCF77. El software DCF77.exe puede controlar de forma simultánea el reloj LED de esfera rotante y el transmisor DCF77.

El software DCF77.exe lo puedes descargar de forma gratuita y con seguridad desde el siguiente enlace: Install_DCF77.rar

New version in english: Install_DCF77_eng.rar

Caja para el transmisor

La caja se considera como un complemento de cualquier montaje electrónico, y además suele ser lo más laborioso de realizar, debido a su mecanizado. Actualmente es más fácil conseguir una caja a medida y mecanizada a buen precio, utilizando una impresora 3D. El trabajo más laborioso es el realizar el diseño, pero una vez hecho, se pueden hacer todas las cajas que quieras sin la necesidad de perder más tiempo en realizar sus mecanizados.

Los ficheros que necesitas para fabricar esta caja, los puedes descargar desde el siguiente enlace:

DCF77 experimental transmitter

¿Dónde fabricar el PCB?

Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos, pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay.

Logo: PCBWay

https://www.pcbway.es/

Ahora el servicio de montaje en PCBWay por $ 30, con envío GRATUITO mundial:
https://www.pcbway.es/quotesmt.aspx

Acceso a los GERBER de este PCB

Link of my shared project

Programar sistema horario 12/24 (assembler)

Programación de un reloj LED, para que pueda mostrar la hora en cualquier formato (12h-24h). Esta modificación se realiza en un ‘Reloj-Fecha-Cronómetro-Temperatura‘ con 4 dígitos de 7 segmentos LED, de control serie. El controlador de este reloj está construido a partir del microprocesaror AT89S52, con encapsulado de 44 pines (SMD).

Sistema horario

El sistema horario de 24 horas es una convención de medición del tiempo, en la que el día se contabiliza de medianoche a medianoche. Con formato de 24 horas, las horas se empiezan a contar a partir de la medianoche, y se presenta con los números comprendidos entre el 0 y 23.

El sistema de 24 horas es el más utilizado en la actualidad, y el sistema de 12 horas se utiliza principalmente para la comunicación oral, porque es más intuitivo. A pesar de que el sistema de 24 horas es el más usado en comunicaciones escritas, en algunos países lo denominan como horario militar o astronómico, y prefieren realizar la presentación de la hora utilizando el sistema tradicional de 12 horas.

Esta actualización se realiza en el Reloj SMD que mostré anteriormente:

Construye un Reloj SMD

Planteamiento al programar el reloj

Cuando se programa el firmware de un reloj, es importante saber si el display de presentación es multiplexado o no, así como el valor de tiempo mínimo a mostrar.

Cuando el display es multiplexado, el microprocesador tiene que enviar la información con una cadencia mucho más rápida, siempre superior a la persistencia del ojo humano. Si se quiere evitar el efecto de parpadeo, la frecuencia de refresco del display debería ser como mínimo de 50 Hz.
La cadencia de lectura de la información horaria debe ser igual o superior al valor del tiempo mínimo que se quiera mostrar en el display. Si el reloj muestra décimas de segundos, el microprocesador tendría que leer la información del chip RTC con una cadencia mínima de 1/10 segundos, cada 100 mSeg.

Funcionamiento del reloj

A pesar de que el Reloj SMD no es multiplexado, porque la presentación se realiza enviando los datos en serie (registro de desplazamiento), lo he programado con una frecuencia de refresco muy alta.

Esto lo hice así, porque utilicé la estructura de programa del reloj de esfera rotante FC-209, el cuál si era multiplexado.

Reloj LED con 2 alarmas

Antes de presentar la hora en el display por primera vez, el microprocesador tiene que leer la información del chip RTC (DS1302). Y si el reloj muestra segundos, la lectura se debería hacer que como mínimo una vez por segundo.

Aprovechando las prestaciones y velocidad del microprocesador que he utilizado, decidí insertar la rutina de lectura del chip DS1302 (RTC) dentro de la rutina de refresco del display. Como se puede ver en la gráfica anterior, la lectura se está haciendo con una cadencia de 926 veces por segundo.

Actualización del firmware

La nueva actualización del Reloj SMD, la puedes descargar de forma gratuita desde el siguiente enlace:

J_RPM_v2_RELOJ_SERIE.HEX

Con esta actualización es posible configurar el sistema de presentación horaria en el display, pudiendo elegir el sistema de 12/24 horas. Para incorporar esta función, he utilizado el método más sencillo de hacerlo: Internamente todo funciona en modo 24 horas, y dependiendo del modo en el que se deba mostrar la hora, el programa pasará o no a través de las rutinas de conversión a formato de 12 horas. Y esto lo hará sólo antes de enviar la hora al display, porque los menús de configuración siempre mostrarán la hora utilizando el formato de 24 horas. Así no será necesario modificar los menús de configuración, ni cambiar el sistema horario del chip DS1302 (RTC). A continuación os muestro el código que he añadido en esta actualización.

Funcionamiento de la subrutina: ValAB

Menús de configuración

Los menús de configuración de esta versión (v2), no cambian con respecto a la versión anterior (v1). En esta versión aparece un nuevo menú, y es para configurar el sistema de presentación horaria (12/24) del reloj.

¿Programar con interrupciones?

Elegir el modo de programar un microprocesador: consultando de forma cíclica el estado de cada periférico (Polling), o creando una interrupción por cada periférico a controlar. Métodos a seguir para programar el microprocesador AT89S52 con 2 interrupciones y una consulta cíclica. Posibles efectos indeseados cuando se programa con interrupciones.

Cuando se programa un microprocesador con la finalidad de tomar decisiones, dependiendo del estado de alguno o varios dispositivos periféricos, como podrían ser: pulsadores, un reloj en tiempo real (RTC), termómetros, alarmas, etc… existen dos formas posibles de hacerlo:

-> La forma más sencilla y clásica sería consultar de forma cíclica el estado de cada periférico.

-> Lo ideal sería habilitar una interrupción en el procesador por cada periférico a controlar.

Consulta secuencial y periódica

En este proceso de consulta, también conocido como polling en inglés, es el propio procesador el que determina el momento en el que realiza la consulta.

Este método tiene el inconveniente de ser poco eficiente, porque el procesador consume muchos recursos realizando las instrucciones de sondeo… y además en algunas aplicaciones, una pequeña demora de tiempo afecta a la precisión de la medida o produce efectos indeseados. Por ejemplo, un error en la precisión cuando se utiliza un temporizador del procesador como patrón de tiempo de un reloj o cronómetro. Efectos indeseados, como podrían ser parpadeos, cuando se genera una señal PWM para el control de brillo de un display… o inestabilidad si se utiliza esta misma señal PWM para regular la velocidad de un motor.

Programar con interrupciones

Una interrupción sirve para detectar en tiempo real el momento en el que se debe realizar la consulta a cada periférico. Con la interrupción, es el periférico quien se encarga de avisar al procesador, y mientras tanto el procesador puede realizar otras tareas.

El orden de prioridad de todas las interrupciones se pueden programar en el procesador. Así el procesador decidirá si un proceso se debe interrumpir o no, en caso de que se produzca una interrupción mientras se está atendiendo a otra, o cuando se produzcan dos o más interrupciones de forma simultánea. Un mal uso de la prioridad en las interrupciones, también podría provocar efectos indeseados.

En la imagen anterior, al no tener la prioridad de interrupción el Timer que genera la señal PWM, se producen fluctuaciones en el ancho de impulso generado.

Reloj-Temperatura de abanico

Veremos la hora y temperatura en el kit Shake Stick Flash, de 16 LED por columna. El circuito original incluye el micro controlador AT89S52, y aunque ya viene programado con 4 imágenes diferentes, lo reprogramaremos para darle una mayor versatilidad. Este kit incluye un conector ISP (In-system programming), y esto facilita su uso como plataforma de desarrollo para realizar prácticas con este tipo de micro controladores.

Después de añadir al kit un sensor de temperatura (DS18B20) y un pequeño módulo de reloj en tiempo real (DS1302), sólo necesitaremos actualizar el firmware (se adjunta de forma gratuita) para ampliar las funcionalidades que ya le hicimos en la versión anterior. Este firmware permitirá la presentación de la Fecha y Hora, así como 15 imágenes diferentes (gráficos o textos). Uno de sus mensajes podrá reprogramarse a través del puerto serie, los otros 14 mensajes están almacenados en ROM, y podrán modificarse editando el archivo del firmware de forma muy simple.

El montaje de estos dos sensores en el kit es muy sencillo. En el siguiente esquema podemos ver las conexiones que se deben realizar. El módulo RTC (DS1302) se puede montar de forma opcional; si no se instala, el Stick mostrará solamente la temperatura cuando esté seleccionada la presentación 1ª. En caso de que se instalen ambos sensores, se alternará la presentación de la hora y temperatura.

IMPORTANTE: Para que aparezca la hora en el Stick, es imprescindible programar el módulo RTC, utilizando el software que se adjunta, o mediante la conexión de dicho módulo con el reloj de esfera rotante (ver la explicación en el video).

En los dos videos anteriores, podrás encontrar todos los detalles de funcionamiento y programación:

Stick LED programable #1
Stick LED programable #2

El nuevo firmware se puede descargar de forma gratuita desde el siguiente enlace: J_RPM_v2_STICK.HEX

Nueva versión del software de control, para programar los textos de la memoria RAM y actualizar la hora: Install_Stick_v1.05.zip

Stick LED programable #2

Personalización de los textos y gráficos que aparecen en el Stick LED, modificando el firmware con un editor hexadecimal. Instalación del software de control Stick.exe y programación del texto que se almacena en la memoria RAM del Stick LED.

Puedes descargar este software de forma gratuita desde el siguiente enlace: Install_Stick_v1.04.rar

Este programa funciona bajo Windows. Para instalar hay que descomprimir el archivo .rar y ejecutar el archivo .exe siguiendo las indicaciones del instalador.

Para modificar los textos fijos de la memoria ROM, es necesario editar el fichero del firmware antes de programar el micro controlador AT89S52. Podemos utilizar cualquier editor hexadecimal, o hacerlo desde el propio interface de programación. En total se pueden modificar 19 mensajes, los 4 primeros dobles (8 mensajes) y los 11 siguientes simples. La matriz completa de cada mensaje está compuesta por 48 columnas y 16 filas (número de diodos LED del Stick). La imagen completa tiene una resolución de 16×48 = 768 pixel. Para poder escribir los textos de forma sencilla, el firmware utiliza un Font de caracteres de 16×6, y así los textos se introducen en ASCII, pudiendo editarse directamente desde el teclado del PC.

Como puede apreciarse en la imagen anterior, todos los caracteres deben escribirse en la ROM con letras mayúsculas. Los caracteres de la tabla que se muestran con el fondo de color verde, están asociados a los gráficos que se almacenan en la ROM. En total hay 6 gráficos almacenados, y cada uno de ellos ocupa 4 códigos de la tabla. La correspondencia de los códigos de algunos caracteres en minúscula de la tabla ASCII, son traducidos en gráficos cuando se muestran en el Stick LED.

Para poder modificar el mensaje doble que se almacena en la memoria RAM, es necesario intercalar un interface entre el Stick y el PC o dispositivo móvil. En este caso he utilizado un interface convencional RS-232 (ver imagen anterior). También podría utilizarse un interface TTL-USB, TTL-Bluetooth, etc.

En la imagen anterior se muestra la pantalla del software de programación Stick.exe. Una vez conectado el puerto serie del PC con el Stick siempre encendido y mediante el interface, sólo sería necesario editar los dos textos y enviarlos. El software mostrará un acuse de recibo al final del envío, o mostrará un mensaje de error en caso de que no se reciba la confirmación desde el Stick.

Stick LED programable #1

Montaje del kit Shake Stick Flash, de 16 LED por columna. El circuito original incluye el micro controlador AT89S52, y ya viene programado con 4 imagenes diferentes. Lo interesante de este kit es que se incluye el conector ISP (In-system programming), y esto facilita su uso como plataforma de desarrollo para realizar prácticas con este tipo de micro controladores. Principios de funcionamiento del Stick LED (persistencia del ojo humano), descripción del esquema eléctrico, montaje y diseño de un nuevo firmware. Este firmware permitirá la presentación de 16 imagenes diferentes (gráficos o textos) y uno de sus mensajes podrá reprogramarse a través del puerto serie. Los otros 15 mensajes, almacenados en ROM, podrán modificarse editando el archivo del firmware de forma muy simple.

El principio de funcionamiento del Stick LED está basado en la persistencia que tiene el ojo humano. El ojo hace que cualquier imagen vista se grabe en la retina durante 100 mSeg. aproximadamente. Si desplazamos la columna del Stick con los 16 diodos LED encendidos a una velocidad inferior a 100 mSeg., nuestra retina apreciará una imagen continua y plana, con la forma del movimiento que hemos descrito. Si durante ese tiempo (<100 mSeg.) hacemos que los diodos LED se enciendan y apaguen con un intervalo de tiempo fijo, veremos el mismo arco luminoso, pero mostrando la mitad de las líneas verticales apagadas. Para mostrar gráficos o letras, sólo tendremos que codificar los puntos de cada columna y presentarlos en el intervalo de tiempo adecuado… y eso es lo que hará el micro controlador.

Este firmware se puede descargar de forma gratuita desde el siguiente enlace: J_RPM_v1_STICK.HEX

Este kit incluye un portapilas para utilizarlo con dos baterías de tipo AAA. Esto supone que si utilizamos dos pilas de 1,5 V estaríamos alimentando el circuito con 3V. Aunque con esta tensión podría llegar a funcionar el micro controlador, estaría funcionando muy cerca del umbral mínimo… y dejaría de funcionar en cuanto las pilas estuvieran un poco descargadas. Además, la luminosidad que obtendríamos del Stick sería bastante baja. Para evitar estos problemas, la mejor solución es alimentar el circuito con una batería recargable, y añadir un circuito de carga con protección (TP4056) junto con otro circuito ‘Step UP’ que eleve y estabilice la tensión de salida hasta 5V.

En el esquema se muestra la numeración de los componentes, según aparece en la serigrafía del PCB (circuito impreso). Si queremos programar el micro controlador utilizando el conector ISP (In-system programming), es conveniente sustituir la resistencia del circuito Reset, original de 1K5, por otra de 10K.

Con el nuevo firmware que se adjunta, es posible mostrar 16 imágenes diferentes, 5 de ellas son dobles. Al final dispondremos de 4 imágenes dobles y 11 simples almacenadas en la memoria ROM, y otra imagen doble almacenada en la memoria RAM. Esta última podremos reprogramarla cuantas veces queramos, enviando los datos desde un PC o dispositivo móvil. Para ello tendremos que intercalar un interface (RS232, RS485, IR, Bluetooth, etc) y conectarlo a las líneas RX/TX del Stick (UART). Los textos de la memoria ROM también podremos sustituirlos, pero lo haremos con un editor hexadecimal, modificando los textos del firmware antes de programar el micro controlador.

Con el fin de mejorar la presentación de los mensajes más cortos, el micro controlador modificará los intervalos de tiempo en función del número de caracteres-columnas que tenga que presentar (ver la imagen anterior).

Medir las revoluciones R.P.M. #2

Medidor RPM de alta resolución, mostrando la velocidad de giro de cualquier motor en un display LCD. El rango de medidas está comprendido entre 12 y 65.535 RPM. La construcción de este medidor se detalla en el documento anterior, ya que se utilizan los mismos componentes electrónicos. Comprobación de funcionamiento y medidas RPM, con diferentes motores y en ambos modos de funcionamiento (promediado y precisión).

El firmware de este medidor, lo puedes descargar desde el siguiente enlace: RPM_v101.HEX

Con esta nueva versión de firmware, es posible seleccionar dos modos de funcionamiento:

PROMEDIADO (puente cerrado):

El interruptor óptico, mediante el corte del haz luminoso, mide el tiempo de giro del motor con una resolución de 100 uSeg. El valor que muestra el display es la media de las dos últimas medidas de tiempo, después de convertirlas en revoluciones por minuto. La única operación que se debe realizar, es multiplicar el tiempo promediado de las dos últimas medidas por 60 segundos (mSeg x 60.000). Con este modo de funcionamiento se pueden leer cómodamente los valores RPM, porque los cambios se realizan con baja resolución.

PRECISIÓN (puente abierto):

Con este modo de funcionamiento es posible apreciar la estabilidad de rotación de los motores, sobre todo los que funcionan a un alto régimen de revoluciones. El valor que se muestra en la pantalla se calcula en función de la resolución máxima que permita el micro-procesador. En este caso, al utilizar un cristal de cuarzo de 22,1184 MHz, la temporización mínima es aproximadamente 0,588 uSeg. Utilizando esta resolución, la precisión de la medida hasta 10.000 RPM será mejor de 1 RPM. Con altas revoluciones de giro, veremos cambiar los valores más bajos con mayor o menor velocidad, dependiendo de la estabilidad de giro del motor. La velocidad de refresco del display no depende de la velocidad de giro del motor, está fijada a 4 veces por segundo (250 mSeg).

Medir las revoluciones R.P.M.

Medir las revoluciones de giro de un motor en un display LCD, utilizando un interruptor óptico ranurado como sensor. Posible librería y código para realizar este medidor con Arduino (FreqCount.h). Esquema del medidor de RPM, utilizando el micro-procesador de Atmel AT89C2051 y un display LCD de 2 líneas y 16 caracteres. Comprobación de funcionamiento y medidas RPM con diferentes motores.

En un video anterior (Medir con precisión las RPM de un motor, es muy fácil) mostraba cómo se podían medir con precisión la velocidad de giro de un motor, de una forma fácil y sencilla.

El captador utilizado era un interruptor óptico ranurado, posteriormente se medía la frecuencia de giro del motor y se convertía en revoluciones por minuto (RPM). La frecuencia se puede medir con un frecuencímetro, un osciloscopio o mediante una aplicación gratuita utilizando un dispositivo móvil.

En esta ocasión vamos a realizar un medidor de RPM completo, mostrando las revoluciones por minuto en un display LCD. El controlador del medidor se podría hacer con ARDUINO, utilizando la librería FreqCount.h… pero deberemos tener en cuenta las limitaciones que tiene esta librería, dependiendo del modelo de Arduino que estemos utilizando

Arduino UNO & FreqCount.h

Pin de entrada para realizar la medida: 5
Deshabilitación de la sentencia analogWrite() en pines: 3, 9, 10 y 11.

Si queremos utilizar le módulo LCD Keypad Shield con nuestro Arduino UNO, tendremos que utilizarlo sin ensamblar ambos módulos mediante sus conectores, porque coincide el pin de medida (FreqCount.h) con una de las conexiones del módulo LCD. Será necesario modificar las conexiones del LCD, ensamblando ambos módulos con cables para mover la entrada/s ocupada/s.

Con el fin de mejorar la resolución de las medidas… y después de algunos incidentes que tuve con mi Arduino, decidí hacer todo el desarrollo partiendo desde cero, y utilizar el micro-controlador de Atmel: AT89C2051. En esta primera versión (quizás haga alguna mejora) la resolución de las medidas las determina un temporizador de 0,1 milisegundos (100 uSeg). De esta manera, la medida máxima de revoluciones por minuto que podríamos medir serán 600.000 RPM. Sin embargo, al ser un tiempo fijo, el valor inmediatamente inferior que mediríamos sería 300.000 RPM. Es decir, un salto entre medidas excesivamente grande. Por este motivo limité el valor máximo a 65.535 RPM (16 bit), aunque la medida máxima que podremos ver en el display será 60.000 RPM. Por otra parte, la medida mínima empezará a partir de 12 RPM. Esta limitación queda determinada por el tiempo máximo de espera que fijé para actualizar el valor mostrado en el display, que son 5 segundos.

En la tabla de la izquierda (click para ampliar) podemos observar los valores de RPM que podrían aparecer en el display, cuando medimos valores entre 4.000 y 60.000 RPM. Como podemos comprobar, la resolución de las medidas empeora al subir la velocidad de giro, lógico porque partimos de un temporizador de valor fijo (100 uSeg). Como en los motores de uso más frecuente la velocidad de giro no suele superar las 4.000 RPM, la resolución que se mostrará con este medidor será bastante buena.

Calculadora R.F.

Con el software Cal_RF.exe es posible realizar la mayoría de los cálculos necesarios, cuando se trabaja con equipos de RF. En este video se describe el funcionamiento de dicho software, desarrollado para funcionar bajo Windows.

El software Cal_RF.exe (actualizado con RX Satélite) lo puede descargar de forma gratuita desde el siguiente enlace: Software

Software:Reflejos.exe (Control del juego/Prácticas QWERTY)

Funcionamiento del software: Reflejos.exe (descarga GRATIS). Con este software se puede controlar el entrenador de reflejos, mostrado recientemente en otro video, o lo puedes utilizar para aprender/mejorar en el manejo del teclado del PC (teclado QWERTY). El software podría utilizarse por personas invidentes, ya que se incorporan mensajes de voz (en inglés).

El software ‘Reflejos.exe’ los podéis descargar de forma gratuita desde este enlace: Software

Aquí el video, para la construcción del entrenador de reflejos.