[121] Zegar z Frankfurtu czyli DCF77 cz. 1

DCF77 – cóż to jest? Standard znany głównie z nieco pokracznych zegarów, których się nie nastawia, tylko odstawia na jakiś czas, aż ustawią się same. Najczęściej zegary te są składnikami stacji pogody i chyba każdy doświadczył jednocześnie wygody – bo są bardzo dokładne – i problemów z uruchomieniem po wymianie baterii, bo czasem trzeba czekać godzinę i dłużej, zanim z jakiegoś pierwszego stycznia o północy zrobi się prawidłowa data i godzina.

W najbliższych artykułach poruszę tak naprawdę dwa problemy: różne sprzętowe rozważania na temat samych urządzeń jak również próby zaprzęgnięcia takich zegarów czy raczej modułów siedzących w nich z Arduino. Zacznijmy więc od prezentacji. Wybrałem dwa urządzenia: jednym jest klasyczna stacja pogody, drugim – podręczny budzik.

Narzekałem na obudowę, bowiem są to zwykle brzydkie standardy współczesnego chińskiego plastiku w kolorze srebrnym, który wyciera się i rysuje od samego patrzenia. Ale takie są standardy i pozostaje je zaakceptować. Ciekawiej jest w środku.

Pominę tutaj płytkę elektroniki wyświetlającej dane, sensory – termometry, higrometry czy podzespoły sieci radiowej do łączenia się ze zdalnymi czujnikami. Nas interesuje to: mała płytka z anteną ferrytową.

Lecz zanim wydobędę ją ze środka, wróćmy do zasilania – gdybyśmy jednak nie chcieli psuć stacji, tylko ją ulepszyć. Praktycznie zawsze producent skazuje nas na baterie AA, czy – co gorsza – jeszcze mniejsze. Po miesiącu obraz blednie, a po kilku znika zupełnie i trzeba baterie wymienić. Jeśli chcemy mieć spokój przez dłuższy czas, proponuję użyć jednego ogniwa litowego 18650.

Problemem może być miejsce, Gdy użyjemy nóżki, znajdziemy je z tyłu. Gdy pierwotnie używano trzech ogniw, nic nie trzeba robić, gdy dwóch – należy wstawić dwie diody małej mocy w szereg, by odłożyć na nich nieco napięcia. Wszak ogniwo litowe serwuje szeroki zakres od 3 do 4,2 wolta. To ostatnie może być niebezpieczne dla elektroniki, a przede wszystkim zrobi zbyt duży kontrast. Przy okazji równolegle do ogniwa warto wstawić kondensator na tyle duży (kilka milifaradów), by wymiana ogniwa nie powodowała resetowania zegara. Z doświadczenia powiem, że odtąd potrzeba zmiany akumulatora pojawi się raz w roku albo rzadziej, lecz przede wszystkim obraz będzie kontrastowy przez cały czas pracy urządzenia.

W przypadku drugiego zegara – budzika – postanowiłem uczynić zmianę odważniejszą. Najpierw wymieniłem diodę podświetlającą na współczesną, ultrajasną. Następnie podłączyłem między nią, a zasilanie rezystor 3,3 kΩ, który ogranicza prąd płynący przez diodę do 300 uA – akurat tyle, by dać lekkie stałe podświetlenie w nocy i jednocześnie nie obciążać akumulatora znacząco. Taki zegar, który będzie się świecił bez przerwy, będzie pracował bez wymiany akumulatora przynajmniej kilka miesięcy. Proponuję użyć barwy czerwonej podświetlenia, bo ona w nocy nie drażni. Można też poeksperymentować z odwróceniem folii polaryzacyjnej, co da nam negatyw. Jednak wtedy odczyt w dzień będzie utrudniony. Dlatego decyzję pozostawiam czytelnikom.

Cóż, to było o usprawnianiu zegarów. Wiele z nich jednak przestaje działać – jak to z chińskimi gadżetami bywa i wówczas lądują w koszu na nieżywe radości zasilane prądem. Wewnątrz urządzenia mamy jednak różne skarby, których możemy teraz użyć. Choć przyznaję, jest to bardziej eko niż oszczędne, gdyż moduły odbiorników DCF77 są naprawdę tanie i kupując je nie musimy się domyślać parametrów ani wyprowadzeń. Bez względu na źródło, z którego pozyskaliśmy taki moduł, przyjrzyjmy mu się z bliska.

Oto odbiornik sygnału DCF77. Kto grzebał w radiach, ten od razu skojarzy: radyjko na fale długie. I będzie mieć rację, to jest nawet radio na fale bardzo długie, 77,5 kHz konkretnie. Jest to wartość spoza zakresu komercyjnych odbiorników i tak ma być: nie ma tam żadnego przekazu wartego posłuchania.

Nadajnik znajduje się w Niemczech, nieopodal Frankfurtu i dysponuje mocą 50 kW. Przy tym przekazie wystarcza to jednak do pokrycia obszaru o odległości do 2 tysięcy kilometrów, a więc w praktyce całej Europy. Polska leży na tyle blisko, że odbiór jest możliwy także w pomieszczeniach, choć trzeba przestrzegać pewnej zasady, o której zaraz wspomnę. Najpierw słówko o transmisji.

Tu się możemy zdziwić: jest bardzo wolna. Nadanie jednego bitu trwa dokładnie sekundę. Wskutek tego nastawienie zresetowanego zegara może trwać blisko dwie minuty. Zalety też są: duża odporność na błędy i spory zasięg przy relatywnie niewielkiej mocy nadajnika.

Ramka, czyli cały przekaz, albo jak byśmy powiedzieli: bajt, ma tu 59 bitów. Niedużo, ale wystarcza na przesłanie czasu i daty w kodzie BCD, bajtów parzystości, informacji o czasie letnim i jeszcze kilku danych. Nas oczywiście będą interesować dane związane z czasem.

Emisyjnie mamy tutaj pełną modulację, przerywaną raz na sekundę na 100 ms dla zer i 200 ms dla jedynek. W ostatniej sekundzie ramki brakuje impulsu, dzięki czemu zegary wiedzą gdzie zacząć czytać dane. Tak więc po zresetowaniu dekodera trzeba czekać do 59 sekund na przerwę i dopiero wówczas nastąpi zbieranie danych do bufora. Nieszczęśliwie, dane o czasie znajdują się w dalszej części ramki, więc należy doliczyć dodatkowy czas oczekiwania na te konkretne informacje. W najgorszym przypadku po dwóch minutach czekania otrzymamy pełen odczyt. Z tego powodu standard nie nadaje się do napędzania zegarów bezpośrednio, a synchronizacji lokalnych generatorów. Częstotliwość tejże może być możliwie najczęstsza, czyli raz na minutę albo – jak w przypadku zegarów zasilanych bateriami – raz na godzinę, co pozwala oszczędzać energię.

Zaopatrzeni w niezbędną wiedzę będziemy mogli zbudować zegar DCF wykorzystując już Arduino – ale o tym napiszę w kolejnym artykule.