Arduino Lektion 71: analoge Uhr mit Drehspulinstrumenten und RTC Modul DS3231

In diesem Tutorial möchte ich zeigen wie man mit 2 Drehspulinstrumenten und dem RealTimeClock Modul DS3231 (und natürlich einen Mikrocontroller) eine analoge Uhr erstellt.

Teileliste

Für dieses Projekt verwende ich folgende Teile:

• 2x Drehspulinstrumente,
• 2x 46 kOhm,
• 1x RTC DS3231,
• 1x Arduino UNO,
• 1x Steckbrett (400 Pin),
• diverse Steckbrettkabel

Die Drehspulinstrumente kann man deutlich günstiger über Wish.com bestellen. Die Lieferzeit ist dort jedoch deutlich höher.

Für den Aufbau verwende ich den DIY Arduino UNO, diesen Mikrocontroller habe ich bereits im Tutorial Arduino UNO kompatibler Bausatz vorgestellt.

Rückblick

Drehspulinstrumente

Ein Drehspulinstrument habe ich bereits im Projekt Arduino Lektion 69: OpenWeatherMap Daten auf OLED Display anzeigen verwendet. Hier möchte ich nun darauf eingehen wie man mit diesen Geräten eine Zeit anzeigen kann.

Video

RealTimeClock DS3231

Das Modul RTC DS3231 habe ich Tutorial Arduino Lektion 17: RealTimeClock RTC DS3231 vorgestellt, jedoch möchte ich das dort vorgestellte Sketch deutlich abwandeln.

Skala

Die Skala der Drehspulinstrumente kann man abschrauben. Ich habe diese eingescannt und mit dem Bildbearbeitungstool Paint.NET umgestaltet.

Hier nun die Grafiken und die PDN Datei, zusammen als Download

Schaltung

Die beiden Drehspulinstrumente werden jeweils über einen 46kOhm Widerstand an einen beliebigen, digitalen, PWM Pin angeschlossen, ich habe hier den Pin D10 für die Stunden und D9 für die Minuten Anzeige gewählt.

Des Weiteren wird die RTC DS3231 über die analogen Pins A4 (SDA) & A5 (SCL) angeschlossen.

Video

In dem nachfolgenden Video erläutere ich Schritt für Schritt, wie du dir dieses Projekt nachbauen kannst.

Quellcode

Den Quellcode habe ich in zwei Dateien aufgeteilt, dieses sorgt dafür das dieser übersichtlicher bleibt.

#include <Wire.h>

#define minutesInstrument 9
#define hoursInstrument 10

int jahr,monat,tag,stunde,minute,sekunde, wochentag;

//Setup Methode
void setup(){
  Wire.begin(); //Kommunikation über die Wire.h bibliothek beginnen.       
  Serial.begin(57600);  //Übertragungsgeschwindigkeit 9600 Baud
  Serial.println("Mit dem Befehl kann das Datum und die Uhrzeit gesetzt oder veraendert werden.");
  Serial.println("Beispiel: set 28.08.2013 10:54");
}

void loop(){ 
 rtcReadTime();
 printRTCDateTime();

 int minMapped = map(minute, 0,59, 0,255);
 
 int hour = stunde;
 if(hour > 12){
    hour = hour - 12;  
 }
 
 int hoursMapped = map(hour, 0,12, 0,255);
 
 analogWrite(minutesInstrument, minMapped);
 analogWrite(hoursInstrument, hoursMapped);

 setRTCTime();
 delay(1000);
}

#define RTC_I2C_ADDRESS 0x68 // I2C Adresse des RTC  DS3231
 
//Membervariablen
int daysInMonth[12]={31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31};
String daysInWeek[7] = {"Sonntag", "Montag", "Dienstag", "Mittwoch", "Donnerstag", "Freitag", "Samstag"};
String monthInYear[12] = {"Januar","Februar", "März", "April", "Mai", "Juni", "Juli", "August", "September", "Oktober", "November", "Dezember"};
String outputFormat = "%s, %02d.%s %04d %02d:%02d:%02d Uhr";
 
//Ließt den aktuellen Zeitstempel aus dem RTC Modul.
void rtcReadTime(){
  Wire.beginTransmission(RTC_I2C_ADDRESS); //Aufbau der Verbindung zur Adresse 0x68
  Wire.write(0);
  Wire.endTransmission();
  Wire.requestFrom(RTC_I2C_ADDRESS, 7);
  sekunde    = bcdToDec(Wire.read() & 0x7f);
  minute     = bcdToDec(Wire.read()); 
  stunde     = bcdToDec(Wire.read() & 0x3f); 
  //Der Wochentag wird hier nicht ausgelesen da dieses mit 
  //dem Modul RTC DS3231 nicht über die Wire.h zuverlässig funktioniert.
  /* wochentag  =*/ bcdToDec(Wire.read());
  tag        = bcdToDec(Wire.read());
  monat      = bcdToDec(Wire.read());
  jahr       = bcdToDec(Wire.read())+2000;    
}
 
//Funktion zum schreiben / setzen der Uhrzeit.
void rtcWriteTime(int jahr, int monat, int tag, int stunde, int minute, int sekunde){
  Wire.beginTransmission(RTC_I2C_ADDRESS);
  Wire.write(0); // Der Wert 0 aktiviert das RTC Modul.
  Wire.write(decToBcd(sekunde));    
  Wire.write(decToBcd(minute));
  Wire.write(decToBcd(stunde));                                  
  Wire.write(decToBcd(0)); // Wochentag unberücksichtigt
  Wire.write(decToBcd(tag));
  Wire.write(decToBcd(monat));
  Wire.write(decToBcd(jahr-2000));  
  Wire.endTransmission();  
}
 
//Berechnet den Tag der Woche aus dem übergebenen Datumswerten.
byte calcDayOfWeek(int jahr, byte monat, byte tag) {
  static int t[] = {0, 3, 2, 5, 0, 3, 5, 1, 4, 6, 2, 4};
  jahr -= monat < 3;
  return ((jahr + jahr/4 - jahr/100 + jahr/400 + t[monat-1] + tag) % 7); 
}
 
//Convertiert Dezimalzeichen in binäre Zeichen.
byte decToBcd(byte val){
  return ( (val/10*16) + (val%10) );
}
 
//Convertiert binäre Zeichen in Dezimal Zeichen.
byte bcdToDec(byte val){
  return ( (val/16*10) + (val%16) );
}
 
//Ließt einen String und liefert einen Integer Wert von einer 
//definierten Stelle (byte num) des Stringwertes.
int getIntFromString (char *stringWithInt, byte num){
  char *tail; 
  while (num>0){
    num--;
    //Bei Kommanseparierten Listen werden die Kommata 
    //übersprungen und geben damit die Unterteilung des Strings an.
    while ((!isdigit (*stringWithInt))&&(*stringWithInt!=0)){
      stringWithInt++;
    }
    tail=stringWithInt;
    //Schleife solange ausführen bis eine Zahl gefunden wurde
    //welche größer 0 ist.
    while ((isdigit(*tail))&&(*tail!=0)){
      tail++;
    }
   
    if (num>0){
      stringWithInt=tail;
    }
  }  
  return(strtol(stringWithInt, &tail, 10));
}  
 

 
//Gibt einen Zeitstempel auf der Seriellen Schnittstelle aus.
void printRTCDateTime(){
  char linebuf[60];
  int dOW = calcDayOfWeek(jahr, monat, tag);
  String wochentagC = daysInWeek[dOW];
  String monatC = monthInYear[monat];
 
  String result = "";
  result += wochentagC;
  result += ", ";
  result += tag;
  result += ".";
  result += monatC;
  result += " ";  
  result += jahr;  
  result += " "; 
  if(stunde<10) { result += "0"; }
  result += stunde;  
  result += ":";  
  if(minute<10) { result += "0"; }
  result += minute;  
  result += ":"; 
  if(sekunde<10) { result += "0"; }
  result += sekunde;  
  Serial.println(result); 
}
 
//Manuelles setzen der Uhrzeit über den Seriellen Monitor der IDE.
void setRTCTime(){
  char linebuf[30];
  byte counter;
  if (Serial.available()){
    delay(100); // Warte auf das Eintreffen aller Zeichen vom seriellen Monitor
    memset(linebuf,0,sizeof(linebuf)); // Zeilenpuffer löschen
    counter=0; // Zähler auf Null
    while (Serial.available()){
      linebuf[counter]=Serial.read(); // Zeichen in den Zeilenpuffer einfügen
      if (counter<sizeof(linebuf)-1) counter++; // Zeichenzähler erhöhen
    }
    // Wenn in der gelesenen Zeile das Wort 'set' vorkommt dann...
    //(Hier muss man bedenken das die Suche nach 'set' auch nach x Zeichen ein positives Ergebnis liefern wird, zbsp. 123set 09.01.2016 12:00:00)
    if (strstr(linebuf,"set")==linebuf){ 
      tag=getIntFromString (linebuf,1);
      monat=getIntFromString (linebuf,2);
      jahr=getIntFromString (linebuf,3);
      stunde=getIntFromString (linebuf,4);
      minute=getIntFromString (linebuf,5);
      sekunde=getIntFromString (linebuf,6);
    } else {
      Serial.println("Befehl unbekannt.");
      return;
    }
    // Ausgelesene Werte einer groben Plausibilitätsprüfung unterziehen:
    if (!checkDateTime(jahr, monat, tag, stunde, minute, sekunde)){
      Serial.println(linebuf);
      Serial.println("Fehlerhafte Zeitangabe im 'set' Befehl");
      Serial.println("Beispiel: set 28.08.2013 10:54");
      return;
    }
    rtcWriteTime(jahr, monat, tag, stunde, minute, sekunde);
    Serial.println("Zeit und Datum wurden auf neue Werte gesetzt.");
  }
}
 
//Prüft das eingegebene Datum auf korrektheit.
boolean checkDateTime(int jahr, int monat, int tag, int stunde, int minute, int sekunde){
   boolean result = false;
   if(jahr>2000){
     result = true;  
   } else {
     return false;
   }
   // Schaltjahr prüfen
   if(jahr % 400 == 0 || (jahr % 100 != 0 && jahr % 4 == 0)){
     //Wenn es ein Schaltjahr ist dann den Wert 29 in das Array an der Stelle 1 für den Monat Februar schreiben.
     daysInMonth[1]=29;
   }
   
   //Monat muss kleiner 13 sein.
   if (monat<13){
      if( tag <= daysInMonth[monat-1] ){
        result = true;
      }
   } else {
     return false;
   }
    
  //Wert für Stunde muss zwischen 0 und 24 liegen,
  //Wert für Minute und sekunde muss zwischen 0 und 59 liegen
  if(stunde <24 && minute <60 && sekunde <60 && stunde >= 0 && minute >=0 && sekunde >=0){
        result = true;
  } else {
     return false;
   }
   
   return result;
}