7. Uhr und Zeitraster

Nach dieser Lektion sollten Sie:

  1. wissen, wie man aus den auf Interupt-basierten Zeitrastern langsamere Raster umsetzt.
I. Vorarbeiten
  1. Laden Sie folgende Datei herunter:
II. Analyse des fertigen Programms
  1. Initialisieren des Programms
    1. Öffnen Sie SimulIDE und öffnen Sie dort mittels simulide_open.jpg die Datei 7._uhr_und_zeitraster.sim1
    2. Laden Sie 7._uhr_und_zeitraster.hex als firmware auf den 88 Chip
    3. Zunächst wird eine Startanzeige mit dem Namen des Programms dargestellt.
    4. Als nächstes ist im Display eine Uhr mit dem Format HH:MM:SS Menu zu sehen
    5. Die Tasten 2 und 3 ermöglichen das Einstellen der Stunde und Minute. Werden die Minuten hochgezählt, so werden die Sekunden auf 0 gesetzt.
III. Eingabe in Atmel Studio

/* ============================================================================
 
Experiment 7:   7_mexleclock mit Stunden-, Minuten- und Sekunden-Anzeige
=============   =========================================================
 
Dateiname:      7_MexleClock.c
 
Autoren:        Peter Blinzinger
                Prof. G. Gruhler (Hochschule Heilbronn)
                D. Chilachava    (Georgische Technische Universitaet)
 
Version:        1.3 vom 22.10.2022
 
Hardware:       MEXLE2020 Ver. 1.0 oder höher
                AVR-USB-PROGI Ver. 2.0
 
Software:       Entwicklungsumgebung: AtmelStudio 7.0
                C-Compiler: AVR/GNU C Compiler 5.4.0
 
Funktion:       Digitaluhr mit Anzeige von Stunden, Minuten und Sekunden. Eine
                einfache Stellfunktion ist mit den Tasten S2 und S3 realisiert.
 
Displayanzeige: Start (fuer 2s):        Betrieb:
                +----------------+      +----------------+
                |- Experiment 7 -|      |=== 00:00:00 ===|
                | Digital Clock  |      |   Std Min      |
                +----------------+      +----------------+
 
Tastenfunktion: S2: Std (zaehlt Stunden bei Flanke aufwaerts. Überlauf bei 24)
                S3: Min (zaehlt Minuten bei Flanke aufwaerts. Überlauf bei 60)
                        (setzt Sekunden beim Druecken zurueck auf 00)
 
Jumperstellung: keine Auswirkung
 
Fuses im uC:    CKDIV8: Aus (keine generelle Vorteilung des Takts)
 
Header-Files:   lcd_lib_de.h    (Library zur Ansteuerung LCD-Display Ver. 1.3)
 
Module:         1) Taktgenerator
                2) Zaehler fuer Uhr (Takt: 1 s)
                3) Anzeigetreiber   (Takt: 100 ms)
                4) Stellfunktion    (Takt: 10 ms)
 
    Modul 1:    Das Modul "Taktgenerator" erzeugt den Takt von 1s fuer die Uhr.
                Zusaetzliche Takte: 10 ms fuer Stellfunktion
                                   100 ms fuer Anzeige.
 
                Verwendung von Hardware-Timer 0 und T0 Overflow-Interrupt.
                Frequenzen: Quarzfrequenz                   12,288 MHz.
                            Timer-Vorteiler     /  8    =>   1,536 MHz
                            Hardware-Timer      /256    =>   6 kHz / 166 µs
                            Software-Vorteiler  / 60    => 100 Hz  /  10 ms
                            Hundertstel-Zaehler / 10    =>  10 Hz  / 100 ms
                            Zehntel-Zaehler     / 10    =>   1 Hz  /   1 s
 
    Modul 2:    Das Modul "Zaehler fuer Uhr" wird durch den Takt 1s aufgerufen.
                Sekunden, Minuten und Stunden werden als Binaerzahlen gezaehlt
                Sekunden und Minuten zaehlen 00..59, die Stunden 00..23.
                Ein "Tick" auf dem Lautsprecher wird jede Sekunde ausgegeben.
 
    Modul 3:    Das Modul "Anzeigetreiber" startet alle 100 ms. Es gibt die
                Hintergrundinformationen und die aktuelle Uhrzeit aus.
                Darstellung auf der Anzeige (mittig in Zeile 1):  [23:59:59]
     
    Modul 4:    Das Modul "Stellfunktion" ist an den 10 ms-Takt gekoppelt.
                Es dient    1. zum Einlesen und Entprellen der Stelltasten
                               - Auswertung der fallenden Flanke 1=> 0
                            2. zum Ausfuehren der Stellfunktion:
                               - S2 zaehlt die Stunden aufwaerts
                               - S3 zaehlt die Minuten aufwaerts
                               - solange Taste S3 gedrueckt: Sekunden = 00
                                (einfache Synchronisierung der Uhr!) 
                Beim Stellen kein Uebertrag von den Minuten auf die Stunden. 
  
    Die Kopplung der Module wird ueber global definierte Variable realisiert:
 
    1-Bit-Variable:     takt10ms:   Taktgenerator => Stellfunktion
                        takt100ms:  Taktgenerator => Anzeigetreiber
                        takt1s:     Taktgenerator => Zaehler fuer Uhr
 
    8-Bit-Variable:     sekunden    Stellfunktion => Zaehler => Anzeige
                        minuten
                        stunden
 
=============================================================================*/
 
// Deklarationen ==============================================================
 
// Festlegung der Quarzfrequenz
#ifndef F_CPU                   // optional definieren
#define F_CPU 18432000UL        // ATmega 88 mit 18,432 MHz Quarz
#endif                              
 
// Include von Header-Dateien
#include <avr/io.h>               // I/O-Konfiguration (intern weitere Dateien)
#include <avr/interrupt.h>        // Definition von Interrupts
#include <util/delay.h>           // Definition von Delays (Wartezeiten)
#include "lcd_lib_de.h"         // Header-Datei fuer LCD-Anzeige
 
// Makros
#define SET_BIT(BYTE, BIT)  ((BYTE) |=  (1 << (BIT))) // Bit Zustand in Byte setzen
#define CLR_BIT(BYTE, BIT)  ((BYTE) &= ~(1 << (BIT))) // Bit Zustand in Byte loeschen
#define TGL_BIT(BYTE, BIT)  ((BYTE) ^=  (1 << (BIT))) // Bit Zustand in Byte wechseln (toggle)
 
// Konstanten
#define PRESCALER_VAL		90      // Faktor Vorteiler = 90
#define CYCLE10MS_MAX		10      // Faktor Hundertstel = 10
#define CYCLE100MS_MAX      10      // Faktor Zehntel = 10
 
#define SPEAK_PORT          PORTD   // Port-Adresse fuer Lautsprecher
#define SPEAK_BIT           5       // Port-Bit fuer Lautsprecher
 
#define ASC_NULL            0x30        // Das Zeichen '0' in ASCII
#define ASC_COLON           0x3A        // Das Zeichen ':' in ASCII
#define INPUT_PIN_MASK		0b00001111
 
// Variable
unsigned char softwarePrescaler = PRESCALER_VAL;	// Zaehlvariable Vorteiler
unsigned char cycle10msCount	= CYCLE10MS_MAX;	// Zaehlvariable Hundertstel
unsigned char cycle100msCount   = CYCLE100MS_MAX;   // Zaehlvariable Zehntel
unsigned char seconds			= 56;				// Variable Sekunden
unsigned char minutes			= 34;				// Variable Minuten
unsigned char hours				= 12;				// Variable Stunden
 
bool timertick;						// Bit-Botschaft alle 0,166ms (bei Timer-Interrupt)
bool cycle10msActive;               // Bit-Botschaft alle 10ms
bool cycle100msActive;              // Bit-Botschaft alle 100ms
bool cycle1sActive;                 // Bit-Botschaft alle 1s
 
bool button2_new = 1;               // Bitspeicher fuer Taste 2
bool button3_new = 1;               // Bitspeicher fuer Taste 3
bool button2_old = 1;               // alter Wert von Taste 2
bool button3_old = 1;               // alter Wert von Taste 3

uint8_t buttonState    = 0b00001111;		// Bitspeicher fuer Tasten
 
// Funktionsprototypen
void initDisplay(void);				// Init Anzeige
void setTime(void);					// Stellfunktion
void showTime(void);				// Anzeigefunktion
void refreshTime(void);				// Uhrfunktion
 
// Hauptprogramm ==============================================================
int main()
{
    // Initialisierung
    initDisplay();              // Initialisierung LCD-Anzeige
 
    TCCR0A = 0;                 // Timer 0 auf "Normal Mode" schalten
    SET_BIT(TCCR0B, CS01);      // mit Prescaler /8 betreiben
    SET_BIT(TIMSK0, TOIE0);     // Overflow-Interrupt aktivieren
 
    SET_BIT(DDRD, SPEAK_BIT);   // Speaker-Bit auf Ausgabe
 
    sei();                      // generell Interrupts einschalten
 
    // Hauptprogrammschleife
 
    while(1)                    // unendliche Warteschleife mit Aufruf der
                                // Funktionen abhaengig von Taktbotschaften
    {
        if (cycle10msActive)           // alle 10ms:
        {
            cycle10msActive = 0;       //      Botschaft "10ms" loeschen
            setTime();       //      Tasten abfragen, Uhr stellen
        }
        if (cycle100msActive)          // alle 100ms: 
        {
            cycle100msActive = 0;      //      Botschaft "100ms" loeschen
            showTime();      //      Uhrzeit auf Anzeige ausgeben
        }
        if (cycle1sActive)             // alle Sekunden: 
        {
            cycle1sActive = 0;         //      Botschaft "1s" loeschen
            refreshTime();       //      Uhr weiterzaehlen
        }
    }
    return 0;
}
 
// Interrupt-Routine ==========================================================

ISR (TIMER0_OVF_vect)
/*  In der Interrupt-Routine sind die Softwareteiler realisiert, die die Takt-
    botschaften (10ms, 100ms, 1s) fuer die gesamte Uhr erzeugen. Die Interrupts
    werden von Timer 0 ausgeloest (Interrupt Nr. 1)
 
*/
{
    timertick = 1;                  // Botschaft 0,166ms senden
    --softwarePrescaler;                    // Vorteiler dekrementieren
    if (softwarePrescaler==0)               // wenn 0 erreicht: 10ms abgelaufen
    {
        softwarePrescaler = PRESCALER_VAL; //    Vorteiler auf Startwert
        cycle10msActive = 1;               //    Botschaft 10ms senden
        --cycle10msCount;              //    Hunderstelzaehler dekrementieren
 
        if (cycle10msCount==0)         // wenn 0 erreicht: 100ms abgelaufen
        {
            cycle10msCount = CYCLE10MS_MAX; // Teiler auf Startwert
            cycle100msActive = 1;          //    Botschaft 100ms senden
            --cycle100msCount;              //    Zehntelzaehler dekrementieren
 
            if (cycle100msCount==0)         // wenn 0 erreicht: 1s abgelaufen
            {
                cycle100msCount = CYCLE100MS_MAX; //    Teiler auf Startwert
                cycle1sActive = 1;             //    Botschaft 1s senden
            }
        }
    }
}
  
// Stellfunktion ==============================================================
void setTime(void)
/*  Die Stellfunktion der Uhr wird alle 10ms aufgerufen. Dadurch wir eine
    Entprellung der Tastensignale realisiert. Das Stellen wir bei einer 
    fallenden Flanke des jeweiligen Tastensignals durchgefuehrt. Darum 
    muss fuer einen weiteren Stellschritt die Taste erneut betaetigt werden.
 
    Eine Flanke wird durch (alter Wert == 1) UND (aktueller Wert == 0) erkannt.
 
    Mit der Taste S2 werden die Stunden aufwaerts gestellt.
    Mit der Taste S3 werden die Minuten aufwaerts gestellt (kein Uebertrag)
    Solange Taste S3 gedrueckt ist werden die Sekunden auf 00 gehalten
 
    Veraenderte Variable: stunden
                          minuten
                          sekunden
 
    Speicher fuer Bits:   sw2Alt
                          sw3Alt
*/
{
	DDRC = DDRC &~INPUT_PIN_MASK;	// Port B auf Eingabe schalten
	PORTC |=	  INPUT_PIN_MASK;	// Pullup-Rs eingeschaltet
	_delay_us(1);					// Wartezeit Umstellung Hardware-Signal
	buttonState    = (PINC & INPUT_PIN_MASK) ;			// Hole den Schalterstatus von B1..B4, 0b1 ist hier offener SChalter
	DDRC |= INPUT_PIN_MASK;			// Port B auf Ausgabe schalten

    // Einlesen der Tastensignale   
    button2_new = (buttonState & (1 << PC1));
    button3_new = (buttonState & (1 << PC2));
     
 
    if ((button2_new==0)&(button2_old==1))  // wenn Taste 2 eben gedrueckt wurde:
    {
        hours++;                  //    Stunden hochzaehlen, Ueberlauf bei 23
        if (hours==24)
            hours = 00;
    }
    if ((button3_new==0)&(button3_old==1))  // wenn Taste 3 eben gedrueckt wurde:
    {
        minutes++;                  //    Minuten hochzaehlen, Ueberlauf bei 59
        if (minutes==60)
            minutes = 00;
    }
    if (button3_new==0)                 // solange Taste 3 gedrueckt: 
        seconds = 00;              //    Sekunden auf 00 setzen
 
    button2_old = button2_new;              // aktuelle Tastenwerte speichern
    button3_old = button3_new;              //    in Variable fuer alte Werte
}
 
// Anzeigefunktion Uhr ========================================================
void showTime(void)
/*  Die Umrechnung der binaeren Zaehlwerte auf BCD ist folgendermaßen geloest: 
    Zehner: einfache Integer-Teilung (/10)
    Einer:  Modulo-Ermittlung (%10), d.h. Rest bei der Teilung durch 10
*/
{
    lcd_gotoxy(0,4);                    // Cursor auf Start der Zeitausgabe setzen
     
    lcd_putc(ASC_NULL + hours/10);    // Stunden Zehner als ASCII ausgeben
    lcd_putc(ASC_NULL + hours%10);    // Stunden Einer als ASCII ausgeben
    lcd_putc(ASC_COLON);                // Doppelpunkt ausgeben
     
    lcd_putc(ASC_NULL + minutes/10);    // Minuten als ASCII ausgeben
    lcd_putc(ASC_NULL + minutes%10);    //
    lcd_putc(ASC_COLON);                // Doppelpunkt ausgeben
     
    lcd_putc(ASC_NULL + seconds/10);   // Sekunden als ASCII ausgeben
    lcd_putc(ASC_NULL + seconds%10);   //
}
 
// Initialisierung Display-Anzeige ============================================
void initDisplay()              // Start der Funktion
{
    lcd_init();                 // Initialisierungsroutine aus der lcd_lib
                     
    lcd_gotoxy(0,0);                // Cursor auf 1. Zeile, 1. Zeichen
    lcd_putstr("- Experiment 7 -"); // Ausgabe Festtext: 16 Zeichen
 
    lcd_gotoxy(1,0);                // Cursor auf 2. Zeile, 1. Zeichen
    lcd_putstr(" Digital Clock  "); // Ausgabe Festtext: 16 Zeichen
 
    _delay_ms(2000);            // Wartezeit nach Initialisierung
 
    lcd_gotoxy(0,0);                // Cursor auf 1. Zeile, 1. Zeichen
    lcd_putstr("=== 00:00:00 ==="); // Ausgabe Festtext: 16 Zeichen
 
    lcd_gotoxy(1,0);                // Cursor auf 2. Zeile, 1. Zeichen
    lcd_putstr("   Std Min      "); // Ausgabe Festtext: 16 Zeichen
}                               // Ende der Funktion
 
// Zaehlfunktion Uhr ==========================================================
void refreshTime (void)              // wird jede Sekunde gestartet
/*  Die Uhr wird im Sekundentakt gezaehlt. Bei jedem Aufruf wird auch ein 
    "Tick" auf dem Lautsprecher ausgegeben. Ueberlaeufe der Sekunden zaehlen
    die Minuten, die Ueberlaeufe der Minuten die Stunden hoch.
 
    Veraenderte Variable:   sekunden
                            minuten
                            stunden
*/
{
    TGL_BIT (SPEAK_PORT, SPEAK_BIT); // "Tick" auf Lautsprecher ausgeben
                                    // durch Invertierung des Portbits
 
    seconds++;                     // Sekunden hochzaehlen
    if (seconds==60)               // bei Überlauf:
    {
        seconds = 0;               //  Sekunden auf 00 setzen
        minutes++;                  //  Minuten hochzaehlen
        if (minutes==60)            //  bei Ueberlauf:
        {
            minutes = 0;            //  Minuten auf 00 setzen
            hours++;              //  Stunden hochzaehlen
            if (hours==24)        //  bei Ueberlauf:
                hours = 0;        //  Stunden auf 00 setzen
        }
    }
}

/*=============================================================================

Ändern Sie auch hier wieder die Beschreibung am Anfang des C-Files, je nachdem was Sie entwickeln

































































Deklarationen ===================================

  1. Hier wird wieder geprüft ob die Frequenz des Quarz bereits eingestellt wurde und - falls nicht - dessen Frequenz eingestellt.

  2. Die Header-Dateien entsprechen denen der letzten Programme.




  3. Auch die Makros entsprechen denen der letzten Programme.



  4. Die Konstanten entsprechen denen der letzten Programme.
    Zusätzlich wird der Ausdruck ASC_NULL durch den Hexadezimalwert einer '0' in ASCII, also 0x30 und ASC_COLON durch den ASCI-Wert eines Doppelpunkts, also 0x3A, ersetzt




  5. Bei den Variablen entsprechen einige denen der letzten Programme.
  6. Für die Uhr werden Stunden, Minuten, Sekunden und Zehntelsekunden mit Anfangswerten deklariert.












  7. Bei den Funktionsprototypen sind einige bekannte Unterprogramme vorhanden. Details werden weiter unten erklärt.




Hauptprogramm =========================

  1. Das Hauptprogramm ähnelt sehr stark dem Up/Down Counter. Entsprechend werden die Zeilen 143-157 hier nicht weiter erklärt.










  2. In der Endlosschleife sind auf der ersten Ebene wieder nur If-Abfragen zu den Flags takt10ms und takt100ms zu finden.

    1. Alle $10ms$ (bzw. wenn das entsprechende Flag gesetzt wird) wird das Flag zurückgesetzt und das Unterprogramm uhrStellen() aufgerufen


    2. Alle $100ms$ (bzw. wenn das entsprechende Flag gesetzt wird) wird das Flag zurückgesetzt und das Unterprogramm uhrAnzeigen() aufgerufen


    3. Alle $1s$ (bzw. wenn das entsprechende Flag gesetzt wird) wird das Flag zurückgesetzt und das Unterprogramm uhrZaehlen() aufgerufen



Interrupt Routine =========================

  1. Auch die Interrupt Routine ist dem Programm Up/Down Counter entlehnt und wird hier nicht weiter erklärt.






















Stellfunktion ==============

  1. In dieser Funktion werden zunächst die Stellungen aller Taster eingelesen (vgl. counterCounting(void) bei Up/down Counter).


  2. Neu hier ist, dass die Bedienung der Schalter die Variablen für Stunden, Minuten um eins hochsetzen, bzw. bei Überlauf wider zurück auf 0 setzen. Zusätzlich wird bei eine Änderung des Minuten-Werts der Sekunden-Wert auf 0 gesetzt.





























Anzeigefunktion Uhr =========================

  1. Hierüber wird die Uhrzeit in der ersten Zeile im Format hh:mm:ss ausgegeben.
  2. Ähnlich zum Counter werden die zweistelligen Werte mit Division durch 10 und dessen Rest in zwei einzelne Ziffern gewandelt













Initialisierung Display-Anzeige =========================

  1. Die Funktion initDisplay() wird zu Beginn des Programms aufgerufen und führt zunächst die Initialisierung des Displays aus.
  2. Danach wird der erste Text auf den Bildschirm geschrieben und damit der Programmname dargestellt.
  3. Nach zwei Sekunden wird der Auswahlbildschirm angezeigt.










Zaehlfunktion Uhr ===============================

  1. Die Zähl-Funktion uhrZaehlen() ist ganz ähnlich aufgebaut zur Interrupt-Service-Routine
  2. Zunächst wird ein Schaltwechsel am Ausgang mit dem Lautsprecher ausgegeben, um einen Knackton zu erzeugen
  3. Dann werden die Sekunden hochgezählt
  4. ist das Maximum erreicht, so wird der Sekunden-Wert zurückgesetzt und der Minuten-Wert um eins hochgezählt.
  5. ebenso wird beim Maximum des Minuten-Serts dieser zurückgesetzt und der Stundenwert hochgezählt.
  6. beim Maximum des Stunden-Werts wird dieser wieder auf Null gesetzt
IV. Ausführung in Simulide
  1. Geben Sie die oben dargestellten Codezeilen ein und kompilieren Sie den Code.
  2. Öffnen Sie Ihre hex-Datei in SimulIDE und testen Sie, ob diese die gleiche Ausgabe erzeugt


Bitte arbeiten Sie folgende Aufgaben durch:

Aufgabe
  1. Bauen Sie einen „ewigen Kalender“ ein
    1. Es sollen nicht nur Stunde, Minute, Sekunde dargestellt werden und veränderbar sein, sondern auch Tag, Monat und Jahr im Format dd:mm:yy
    2. Achten Sie auf die Schaltjahrermittlung
  2. Erweitern Sie den Kalender auf vierstellige Jahresangabe.
  3. Überlegen Sie sich, wie man Ihre Programme testen kann.
  4. BONUS: Wie kann der Wochentag bestimmt werden?