Etude et réalisation d'une horloge et d'un calendrier numérique PDF

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CHAPITRE I GENERALITES I-1. INTRODUCTION: Dans toutes les grandeurs physiques la date et l’heure sont certainement les grandeurs dont la mesure est la plus fréquente. ce travail consiste à étudier et réaliser une horloge et un calendrier numérique avec un afficheur LCD 2*16 et une horloge temps réel...

Description

CHAPITRE I

GENERALITES

I-1. INTRODUCTION: Dans toutes les grandeurs physiques la date et l’heure sont certainement les grandeurs dont la mesure est la plus fréquente. ce travail consiste à étudier et réaliser une horloge et un calendrier numérique avec un afficheur LCD 2*16 et une horloge temps réel DS 1307. Sa description et son mode de fonctionnement sont décrit ci-dessous.

I-2.PRESENTATION DU BUS I2C: Le bus I2C (Inter-Integrated Circuit) est un bus populaire développé par la société Philips dans les années 1980. Le bus I2C est un bus série synchrone bifilaire :  

SDA (Serial Data Line) : ligne de données bidirectionnelle SCL (Serial Clock Line) : horloge de synchronisation bidirectionnelle

Cela fait 3 fils en comptant la masse.

Fig. I-1 .Organization du bus I2C

Le bus I2C est contrôlé par un maître (c'est généralement un microcontrôleur, par exemple un PIC 16F876A). Le bus I2C peut avoir plusieurs maîtres (on parle alors de mode multi-maîtres), mais à un instant donné, un seul maître contrôle le bus I2C. Le bus I2C possède un ou plusieurs esclaves (un bus I2C sans esclaves ne sert à rien !).

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CHAPITRE I

GENERALITES

Le dialogue se fait uniquement entre un maître et un esclave. Le dialogue est toujours initié par le maître (condition Start) : le maître envoie sur le bus I2C l'adresse de l'esclave avec qui il veut communiquer. Le dialogue est toujours terminé par le maître (condition Stop). Le signal d'horloge (SCL) est généré par le maître. La fréquence de l'horloge (f SCL) prend trois valeurs typiques : 





100 kHz (100 kilobits par seconde) : mode standard 400 kHz (400 kb/s) : Fast mode 1 MHz (1 Mb/s) : High-speed mode

C'est l'élément le plus lent qui impose la fréquence de l'horloge du bus I2C

Par

définition, les données transitent de l'émetteur (PIC 16F876A) vers le récepteur (DS1307).

I-2 .1 Technologie du bus I2C Les circuits connectés sur un bus I2C ont des sorties de type drain ouvert (ou collecteur ouvert), ce qui permet de faire un ET logique "câblé". Deux résistances de pull-up sont bien sûr placées entre les lignes SDA et SCL et l'alimentation (VDD). Quand le bus n'est pas utilisé, SDA et SCL sont au niveau haut (niveau de repos). Quand une ligne (SDA ou SCL) est au repos (niveau 1), on peut la forcer à 0. Quand une ligne (SDA ou SCL) est au niveau 0, on ne peut pas la forcer à 1. Dans l'exemple ci-dessous, l'horloge SCL est au niveau 0 car c'est le PIC 16F876A (maître) qui force cette ligne à 0 :

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Fig. I-2.fonctionnement du BUS I2C 

Le DS1307 fonctionne toujours en esclave : ce n'est donc jamais lui qui agit sur

l'état de l'horloge (SCL). 

Le protocole de communication du bus I2C est décrit en détails dans le

document de référence.

I-3.DESCRIPTION DE DS1307 Le DS1307 RTC (Real- Time Clock), est une horloge en BCD (benary-coded decimal), calendrier décimal codé en binaire de basse puissance et contient 56 bytes de NV (non volatile) SRAM. L'adresse et les données sont transférées en série par le bus I2C. L'horloge/calendrier fournit des secondes, des minutes, des heures, le jour, la date, le mois, et des informations d'année. L'extrémité de la date de mois est automatiquement ajustée pendant les mois avec moins de 31 jours, L'horloge fonctionne dans le format de 24 heures ou de 12 heures avec l'indicateur d'AM/PM. Le DS1307 c’est le circuit qui détecte des pannes de courant et commute automatiquement à l'offre de batterie.

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I-3.1.Présentation externe du DS1307 :

Fig. I-3. brochage du DS1307

Fig. I-4 Photo de DS1307

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I-3.2. Le circuit d'oscillateur : Le DS1307 emploie un cristal 32.768kHz externe. Le circuit d'oscillateur n'exige pas de résistances et de condensateurs externes pour fonctionner. La figure I.6 montre un schéma fonctionnel du circuit d'oscillateur. Si en utilisant un cristal avec les caractéristiques indiquées, le temps de démarrage est habituellement moins d'une seconde.

Fig. I.5 Circuit à Opération Typique

Le DS1307 s'interface avec un bus I2C, en configuration esclave : 



Le DS1307 travaille dans le mode standard (fréquence d'horloge f SCL de 100 kHz) L'adresse I2C (7 bits) du DS1307 est : 1 1 0 1 0 0 0

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I-4 LES AFFICHEURS A CRISTAUX LIQUIDES I-4-1 DEFINITION : Les afficheurs à cristaux liquides sont des modules compacts intelligents et nécessitent peu de composants externes pour un bon fonctionnement. Ils sont relativement bons marchés et s'utilisent avec beaucoup de facilité. Plusieurs afficheurs sont disponibles sur le marché et diffèrent les uns des autres, non seulement par leurs dimensions, (de 1 à 4 lignes de 6 à 80 caractères), mais aussi par leurs caractéristiques techniques et leurs tension de service. Certains sont dotés d'un rétro éclairage de l'affichage. Cette fonction fait appel à des LED montées derrière l'écran du module, cependant, cet éclairage est gourmand en intensité (250 mA max.).

Fig. I-6 Les différents types d’afficheur

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I-4-2 Schéma fonctionnel du LCD: La Fig. I-7 représente le schéma fonctionnel de l’afficheur LCD

Fig. I-7 : Schéma fonctionnel du LCD

Comme l’indique le schéma fonctionnel, l'affichage comporte d'autres composants que l'afficheur à cristaux liquides (LCD) seul. Un circuit intégré de commande spécialisé, le LCDController, est chargé de la gestion du module. Le "contrôleur" remplit une double fonction : d'une part il commande l'affichage et de l'autre se charge de la communication avec l'extérieur.

I-4-3 Connexions entre l’afficheur et PIC: Les connexions à réaliser sont simples puisque l'afficheur LCD dispose de peu de broches. Il faut, évidement, l'alimenter, le connecter à un bus de donnée (4 ou 8 bits) d'un microprocesseur, et connecter les broches Enable (validation), Read/Write (lecture/écriture) et Register Select (instruction/commande).

I-4-4 PRINCIPE D'UN AFFICHEUR A CRISTAUX LIQUIDES : L'afficheur est constitué de deux lames de verre, distantes de 20 µm environ, sur lesquelles sont dessinées les mantisses formant les caractères. L'espace entre elles est rempli de cristal liquide normalement réfléchissant (pour les modèles réflexifs). L'application entre les deux faces d'une tension alternative basse fréquence de quelques volts (3 à 5 V) le rend absorbant. Les caractères apparaissent sombres sur fond clair.

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N'émettant pas de lumière, un afficheur à cristaux liquides réflexif ne peut être utilisé qu'avec un bon éclairage ambiant. Sa lisibilité augmente avec l'éclairage. Les modèles transmissifs fonctionnent différemment: normalement opaque au repos, le cristal liquide devient transparent lorsqu'il est excité; pour rendre un tel afficheur lisible, il est nécessaire de l'éclairer par l'arrière.

I-4-5 PROPRIETES D’UN AFFICHEUR A CRISTAUX LIQUIDES : I-4-5.1 Temps de commutation ou temps de réponse : Après la mise sous tension, un temps de retard à la mise en fonctionnement s'écoule jusqu'à ce qu'une variation de contraste apparaisse. Le temps de montée est mesuré entre 10% et 90% du contraste. De la même manière, il existe un temps de retard ou de retombée. Les temps de réponse sont fonction de la viscosité de la substance ainsi que de l'épaisseur de la cellule : la viscosité et les temps de réponse décroissent quand la température croit. A 25°C, les temps de réponse sont de l'ordre de 40 ms pour le temps d'établissement et de l'ordre de 40 à 80ms pour le temps de disparition. Ce paramètre représente un des gros inconvénients des LCD.

I-4-5-2. Tension de fonctionnement : Le contraste et le temps de commutation dépendent de la tension de fonctionnement. Avec une tension de fonctionnement croissante, le temps de la mise en fonctionnement diminue alors que le temps de disparition augmente. Le dépassement de la tension maximale de fonctionnement réduit considérablement la durée de vie du LCD.

I-4-5-3.Courant de fonctionnement : Le schéma (Fig. I-9) équivalent d'un LCD peut se représenter comme ci-dessous : R1 C

R2

Fig. I-8 Schéma équivalent d’un LCD

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R1 est la résistance série des électrodes et R2 la résistance du cristal. C représente la capacité de la substance Les valeurs typiques sont R1 = 10 K, R2 = 1M, et C = 1,5nF/cm². Les unités sont cohérentes car R1 est fonction uniquement de la longueur des électrodes et peut être considérée comme constante. R2 diminue et C augmente quand la surface du segment croit, ce qui correspond à une mise en parallèle des segments unitaires. Les afficheurs à cristaux liquides sont donc une charge capacitive pour la source de tension; le courant de fonctionnement est de ce fait, linéairement dépendant de la tension et de la fréquence de commande. La faible capacité entraîne une très faible consommation en courant. Pour 3 Volts et 33Hz, il est d'environ 1µA/cm², où seule la surface des segments sollicités absorbe ce courant. Ce paramètre est le point fort des LCD.

I-4-5-4. Fréquence de fonctionnement : Les afficheurs doivent être alimentés en tension alternative. La fréquence est limitée vers le bas par un effet de scintillement sur l'œil et vers le haut par la constante de temps RC de la résistance d'alimentation des pistes et de la capacité des segments. Le phénomène de scintillement apparaît pour des fréquences inférieures à 30 Hz. La fréquence supérieure est généralement de l'ordre de 200 Hz. L'application de tensions continues supérieures à 50 mV n'est pas admissible, parce que ces tensions provoqueraient alors des réactions d'électrolyse sur le cristal liquide qui peuvent réduire fortement la durée de vie (segment qui reste visible en permanence).

I-4-5-5. Contraste : Le contraste C est le rapport de brillance pour une tension appliquée par rapport à une tension coupée. Il croit quand la tension de fonctionnement augmente. Le contraste maximum dépend beaucoup des polariseurs de lumière utilisés mais aussi de l'éclairage de l'afficheur.

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CHAPITRE I

GENERALITES

I-4-6 AFFICHEUR LCD JHD162A : La photo ci-dessous nous montre le modèle réel du LCD JHD162A:

Fig. I-9 Photo d ‘un afficheur LCD JHD162A

I-4-6 -1- Description d ‘un afficheur LCD JHD162A : Le JHD162A comporte 2 lignes de 16 caractères inscrits dans une matrice de 5 colonnes de 8 points. La plupart des caractères n'utilisent que les 7 rangées supérieures de la matrice; la rangée inférieure est prévue pour la visualisation d'un curseur. L'afficheur proprement dit est implanté sur un circuit imprimé au dos duquel sont soudés et quelques composants discrets. Et sa consommation ne dépasse pas 7 mW. Ses entrées sont protégées par des diodes. Autre les 32 caractères visualisés sur l'affichage, il est possible de mettre en mémoire 48 caractères supplémentaires, caractères que l'on visualisera sur l'affichage au moment voulu.

I-4-6 -2 Possibilité de l’afficheur LCD JHD162A : L'afficheur est en mesure de visualiser 192 caractères: 



de $00 à $ 07 : 8 caractères définissables par l'utilisateur



de $A0 à $DF: 64 caractères japonais (alphabet kana)



de $20 à $7F : 96 caractères ASCII (majuscules, minuscules, chiffres, signes)

de $E0 à $FF : 32 caractères spéciaux: accent, lettres grecques, ...

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CHAPITRE I

GENERALITES

De plus, l'affichage est capable de traiter d'autres commandes telles que: 



l'extinction de l'affichage



le choix du caractère à redéfinir



le positionnement du curseur



le choix du sens du déplacement du curseur ou de l'affichage le clignotement des caractères ou du curseur

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CHAPITRE II

ETUDE DE MICROCONROLEUR PIC 16F876A

II-1INTRODUCTION : Les microcontrôleurs sont aujourd'hui implantés dans la plupart des applications grand public ou professionnelles, il en existe plusieurs familles. La société Américaine Micro chip Technologie a mis au point dans les années 90 un microcontrôleur CMOS : le PIC (Peripheral Interface Contrôler). Ce composant encore très utilisé à l'heure actuelle, est un compromis entre simplicité d’emploi, rapidité et prix de revient.

II-2 Les Différentes familles des PIC : Les PICS sont divisés en trois grandes familles : -

La famille base Line, qui utilise des mots d’instructions codés sur 12 bits.

-

La famille Mide-Range, qui utilise des mots d’instruction codés sur 14 bits.

-

La famille High-End, qui utilise des mots d’instructions codés sur 16 bits.

Dans notre cas on a utilisé le micro contrôleur PIC 16F876A, dont le numéro 16 signifie qu'il fait partie de la famille "MID-RANGE", est la famille de PIC qui travaille sur des mots de 14 bits.

II-3 Le Microcontrôleur Pic 16F876A II-3-1- Identification d’un PIC : Pour identifier un PIC, nous utilisons simplement son numéro, Les 2 premiers chiffres indiquent la catégorie du PIC, 16 indique un PIC ‘Mide-Range’. Vient ensuite parfois une lettre L : Celle-ci indique que le PIC peut fonctionner avec une plage de tension beaucoup plus tolérante. Ensuite, nous trouvons : ETUDE ET REALISATION D’UNE HORLOGE ET D’UN CALENDRIER NUMERIQUE

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CHAPITRE II C

ETUDE DE MICROCONROLEUR PIC 16F876A

indique que la mémoire programme est une EPROM ou plus rarement une

EEPROM, CR pour indiquer une mémoire de type ROM Ou F pour indiquer une mémoire de type FLASH. À ce niveau, on rappelle que seule une mémoire FLASH ou EEPROM est susceptible d’être effacée. Finalement nous trouvons sur les boîtiers le suffixe « -XX » dans lequel XX représente la fréquence d’horloge maximale que le PIC peut recevoir. Par exemple –04 pour un 4MHz. Notons dès à présent que les PIC sont des composants STATIQUES, c’est à dire que la fréquence d’horloge peut être abaissée jusqu’à l’arrêt complet sans perte de données et sans dysfonctionnement Ceci par opposition aux composants DYNAMIQUES (comme les microprocesseurs de nos ordinateurs), donc la fréquence d’horloge doit rester dans des limites précises.

II-3-2 Le choix du microcontrôleur PIC 16F876A : Le choix d’un microcontrôleur est primordial car c’est de lui que dépendent en grande partie les performances, la taille, la facilité d’utilisation et le prix du montage. Le PIC 16F876A possède en plus des instructions très puissantes donc un programme à développer réduit, une programmation simple grâce au mode série. En fait la cause principale du choix du 16F876A est qu’il dispose de l’option du nombre de ports intéressants pour satisfaire le besoin de notre application.

II-3-3Caractéristiques du PIC 16F876A : Le tableau (II-1) suivant donne les différents dispositifs caractérisant le PIC 16F876A :

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CHAPITRE II

ETUDE DE MICROCONROLEUR PIC 16F876A

Caractéristiques

PIC 16F876A

Fréquence

20 MHZ

Mémoire programme (Flash)

8K de mots de 14 bits

EEPROM de donnée

256 Octets

RAM

368 Octets

Pores entrée/Sortie

Ports A, B, C

Timers

3(2 :8 bits +1 : 16 bits)

I/O

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Convertisseur

analogique

1

Numérique (A/D) Nombre d’instruction

35 instructions

Source d’interruption

13

Watch Dog

1

Mode d’adressage

3 (directs, indirects, relatifs)

Liaisons série I2C

MSSP/U SART

Tableau II-1 Caractéristiques de PIC 16F876A ETUDE ET REALISATION D’UNE HORLOGE ET D’UN CALENDRIER NUMERIQUE

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CHAPITRE II

ETUDE DE MICROCONROLEUR PIC 16F876A

II-3-4Description du PIC 16F876A: II-3-4-1 Structure externe du PIC 16F876A :  Brochage du PIC 16F876A :

Fig. II-1- Brochage du PIC16f876A 

Fonctionnement de broches du PIC 16F876A

Le tableau suivant résume les fonctions de chaque broche : ETUDE ET REALISATION D’UNE HORLOGE ET D’UN CALENDRIER NUMERIQUE

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CHAPITRE II

ETUDE DE MICROCONROLEUR PIC 16F876A

N°

Symbole

1

RAZ

2

RA0/AN0

(E/S) du port A/Entrer analogique O

3

RA1/AN1

(E/S) du port A/Entrer analogique 1

4

RA2/AN2

(E/S) du port A/Entrer analogique 2

5

RA3/AN3/+Vref

Fonction Entrée Master Clear(Reset /Tension de programme)

(E/S) du port A/Entrer analogique 3 / tension de réf + Vref

6

RA4/TOCKI

(E/S) du port A

7

RA5/AN4/SS

(E/S) du port A / Entrée analogique 4

8

VSS

La masse (OV)

9

OSC1

Entrées d’oscillateur à quartz peut être connectés à une horloge externe (0 à 4, 10, 20MHZ)

10

OSC

Sortie d’oscillateur à quartz peut être connectés à un circuit externe pour lui délivrer un signas d’horloge

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RCO5/T10SO/

(E/S) du port C/Sortie d’oscillateur du Timer1

12

RC1/T10SO/CCP2

(E/S) du port C/ entrée d’oscillateur du Timer 1

13

RC2/CCP1

(E/S) du port C/

14

RC3/SCK/SCL

(E/S) du port C/

15

RC4/SDI/SDAC

(E/S) du port C/SPI data IN (entrée la donnée) I2C data I/O (E/S la donnée I2C)

16

RCS/SDO

17

RC6/TX/CK

(E/S) du port C/SPI data OUT (entrée la donnée) (E/S) du part C/EUSART transmission asynchrone/EUSART horloge asynchrone

18

RC7/RX/DT

19

VSS

La masse (OV)

20

VDD

Broche d’alimentation à (+5V)

21

RB0/INT

22

RB1

(E/S) du port B

23

RB2

(E/S) du port B

24

RB3/PGM

25

RB4