Sekundennebenuhrsteuerung

Lange Zeit war ich schon im Besitz einer kleinen Klappzahlennebenuhr mit separatem Sekundenzeiger. Da meine selbstgebaute TTL Quarzuhr mit Synchronisierung per Funksignal, die auch als Hauptuhr für meine Nebenuhren dient, nur einen Minutenimpuls ausgibt, konnte ich den Sekundenzeiger bisher nicht ansteuern. Er lief immer als "Minutenzeiger ohne Stundenzeiger" mit.

Ein Umbau der Hauptuhr, dass diese auch Sekundenimpulse ausgibt, war mir zu aufwändig. Zumal ich diesen noch über ein Kabel in den Raum der Nebenuhr bringen musste.
Da hatte ich die Idee, eine Zusatzschaltung zu entwickeln, die ähnlich wie bei den Bahnhofsuhren mit schleichendem Sekundenzeiger arbeiten würde. Der Sekundenzeiger läuft etwas schneller und bleibt in der 58'ten Sekunde auf Null stehen. Beim nächsten Minutenimpuls, der am Klappzahlenuhrwerk anliegt, läuft er wieder weiter.

Nachdem ich einige Überlegungen angestellt hatte, die Schaltung mit TTL Bausteinen zu realisieren, kam mir der Gedanke, mich mit neuen Microkcontrollern zu befassen. Eine Recherche im Internet zeigte mir, was so alles möglich ist. Zudem gefiel mir die Vorstellung, den Microkcontroller über eine Schnittstelle zu programmieren, ohne ihn aus der Schaltung herauszunehmen. Das lästige Programmieren eines EPROMs würde entfallen. Dazu kam noch, dass man Heute nicht mehr in Maschinensprache programmiert, was das Schreiben eines Programms vereinfachen würde.

Ich entschied mich für den ATmega8 als Microcontroller. Zum Programmieren habe ich mir einen Programmieradapter gekauft und die Testversion von BASCOM-AVR auf dem PC installiert. Dieses Programm arbeitet mit einem speziellen BASIC als Programmiersprache. Der Quellcode wird in Maschinensprache übersetzt und kann in den Programmspeicher des ATmega geschrieben werden.

Nach dem Studieren von Beispielprogrammen und ein paar "how to do" Texten konnte ich den ATmega dazu bringen eine Leuchtdiode blinken zu lassen.
Die Schaltung habe ich zuerst auf einem Experimentierbrett aufgebaut.
Zuerst habe ich ein Programm geschrieben,was den Zeiger einer mechanischen Nebenuhr mit schleichendem Sekundenzeiger nachbildet. Dann kam mir der Gedanke, den Sekundenzähler mit der richtigen Geschwindigkeit laufen zu lassen. Dieser ist ja nicht mechanisch, sondern Bestandteil des Programms. So kann er in der letzten Sekunde durch den Minutenimpuls wieder auf Null gesetzt werden, für den Fall, dass er etwas zu langsam läuft. Für den Fall, dass er zu schnell läuft, wartet er beim Zählerstand Null auf den Minutenimpuls.

Die erste Version der Schaltung steuert den Sekundenzeiger, über vier Darlingtontransistoren, mit polwechselnden 24 Volt Sekundenimpulsen an. Der polwechselnde Minutenimpuls, der an der Klappzahlennebenuhr anliegt, wird über einen Gleichrichter einem Optokoppler zugeführt. Der Ausgang des Optokopplers geht über einen Schalttransistor an einen Eingangsport des ATmega8. Der Schalttransistor steuert eine blaue Leuchtdiode an, die für die Dauer des Minutenimpulses leuchtet.
Es gab ein Erfolgserlebnis. Der Sekundenzeiger bewegt sich, als ob der von Sekundnimpulsen der Hauptuhr angesteuert werden würde. Wenn er auf die Nullstellung springt, klappt die Minute der Klappzahlenuhr um.

Nun musste als optische Spielerei noch ein Display realisiert werden, was den Stand des internen Sekundenzählers anzeigt.

Dieses habe ich erst mal mit einem LED Display für Taschenrechner realisiert. Dieses wird im Multiplexbetrieb angesteuert, was sich durch das Programm realisieren lässt.
Als nächstes wollte ich eines meiner Panaplex-Displays als Sekundenanzeige verwenden. Diese funktionieren wie Nixie Röhren, sind aber sieben Segment Anzeigen. Die Anoden sind für jede Ziffer eine dünne Metallschicht auf dem Frontglas und die Kathoden sind Metallstege auf dem Glasboden. Die Betriebsspannung von 170 Volt habe ich mit einem Spannungswandler realisiert. Dieser erzeugt die Spannung aus 12 Volt Gleichspannung. So konnte die Schaltung weiterhin mit einer Betriebsspannung betrieben werden. Es genügt ein 24 Volt Steckernetzteil. Die 12 Volt für den Spannungswandler und die 5 Volt für den ATmega8 werden von Spannungsreglern erzeugt.
Auf dem nächsten Bild ist die Displayplatine zu sehen.

Hier die Schaltung mit der fertig bestückten Displayplatine. Die Kathoden des Displays werden von Treibertransistoren MPSA 42 angesteuert. Die Anoden über zwei MPSA 92, mit je einem MPSA 42 als Inverter. Mit diesen, für die hohe Spannung geeigneten, Transistoren kann man alle Gasentladungsdisplays und Glimmlampen ansteuern.

Nun ruhte das Projekt eine ganze Weile. Es musste wine Entscheidung getroffen werden, wie die Platine für die Microcontrollerschaltung mit dem Spannungswandler zu realisieren ist.
Lochrasterplatine, eine von Hand gezeichnete Platine, oder ganz Zeitgemäß eine mit einem Platinenlayoutprogramm erstellte Platine.
Zu Letzterem habe ich mich durchgerungen und mir das Programm Sprintlayout gekauft.

Nun kam die Frage, ob ich die Platine selber ätzen soll, oder anfertigen lasse. Meine Erfahrung mit dem Belichten, entwickeln und Ätzen von Fotopositiv beschichteten Platinen liegt Jahrzehnte zurück.
Ich habe dann das Toner Direkt Verfahren entdeckt, was eine weniger aufwändige alternative zum phototechnischen Verfahren ist. der Platinenentwurf wird mit einem Laserdrucker auf ein nicht saugfähiges Papier aufgedruckt. Dazu eignet sich eine Katalogseite. Die bedruckte Seite wird auf der Platine fixiert und mit einem Bügeleisen wird der Platinenentwurf auf die Platine übertragen. Es braucht ein paar Versuche, bis man die richtige Dauer und den Druck herausgefunden hat.

Dannach wird das Papier in einem Wasserbad entfernt. Der Toner bleibt auf der Platine haften und bildet das Ätzresist. Dieser Schritt ist etwas kniffelig, aber es geht. Man muss vorsichtig das Papier entfernen, ohne dass sich der Toner von der Platine löst. Mit einem Edding kann man schadhafte Stellen nachzeichnen. So sieht die Platine vor dem Ätzen aus.

Das ist dann das Ergebnis. Ein paar kleine Schönheitsfehler bleiben und müssen behoben werden. Zum Beispiel Leiterbahnen die sich berühren trennen und Unterbrechungen nachlöten. Trotzdem bin ich mit dem Ergebnis zufrieden.

Hier ist dann die fertig bestückte Platine zu sehen. Die Darlingtontransistoren und Spannungsregler sind mit Kühlkörpern versehen. Die Displayplatine ist mit einem Steckverbinder an der Microcontrollerplatine angeschlossen.

Nun fehlte "nur" noch ein passendes Gehäuse mit Steckverbindern für die Stromversorgung und die Signale.

Dank der Verwendung eines Platinenlayoutprogramms konnte ich noch weitere Platinen herstellen. Eine Platine habe ich für Jemanden hergestellt, der die Schaltung mit Nixie Röhren als Display aufbauen wollte. Um die Steuerplatine ohne Änderungen weiter benutzen zu können, war ein Konzept einer passenden Displayplatine nötig. Eine gängige Lösung wäre die Verwendung von Schieberegistern, mit Treibertransistoren an den Ausgängen. Man bräuchte nur wenige Ports des ATmega8, um die Informationen seriell in die Schieberegister zu schreiben.
Der Nachteil wäre ein höherer Programmieraufwand. Ich hatte daher die Idee die TTL IC's 74141 zu verwenden, die man noch bekommen kann. Diese sind BCD zu Dezimal Decoder mit eingebauten Treibern für je eine Nixie Röhre. Am Displayausgabeport des ATmega8 müsste nun, statt der Siebensegmentmuster im Multiplexbetrieb, die Sekunden Zehner und Einer als statische Binärzahlen ausgegeben werden. Die beiden Ausgänge für die Auswahl der Ziffer im Multiplexbetrieb werden für die Dezimalpunkte der Nixieröhren benutzt.

Schaltplan des Gerätes

Hier noch ein Video in dem die Versionen der Schaltung vom Versuchsaufbau, bis zum fertigen Gerät, zu sehen sind

Inzwischen ist die Schaltung mit Nixie Röhren als Display fertig geworden. Als Gehäuse für das zweite Gerät wollte ich dieses Mal kein Standartgehäuse nehmen. Meine Vorstellung war ein Pexiglasgehäuse, was speziell dafür angefertigt werden sollte.
Das Gehäuse hat mir Jemand gebaut, der Zugang zu entsprechenden Geräten zur Fertigung hat.

Als Nixie Röhren habe ich russische IN-12 A benutzt. Die Dezimalpunkte werden von russischen Glimmlampen INS-1 gebildet.

Hier der Aufbau des Gerätes mit Displayplatine und Nixie Röhren.

Hier die Schaltung zur Ansteuerung des Displays, die ich auf einer Lochrasterplatine aufgebaut habe. Neben den zwei BCD zu Dezimal Decodern sind noch zwei Transistoren MPSA 42, zur Ansteuerung der Glimmlampen, vorhanden.

Schaltplan der Anzeigeplatine

Nun musste Alles "nur " noch in das Gehäuse eingebaut werden.

Die Komponenten wurden mit Abstandsbolzen auf dem Boden des Gehäuses befestigt. Die Glimmlampen und Leuchtdioden sind auf ein Stück Lochrasterplatine gelötet und dann auch auf Abstandsbolzen geschraubt.

Hier noch Nahaufnahmen vom Display und der Hauptplatine, wo die Befestigung deutlich zu sehen ist.

Zum Schluß noch ein Video von dem zweiten Gerät, vom ersten Aufbau bis zum Einbau in das Gehäuse