아두이노 나노와 16x2 LCD로 정밀 시계 만들기

부품 및 소모품

부품	수량	비고
아두이노 나노 R3	1	다른 아두이노도 작동 가능
영숫자 LCD 16x2	1	아무 디스플레이나 가능, 예: https://www.amazon.co.uk/gp/product/B00N8K2BYM
택타일 스위치 (상단 작동형)	3
트리머 포텐쇼미터 10kΩ	1	아무 10k 트리머나 가능
점퍼 와이어	1

프로젝트 소개

학습용 연습으로 시작했지만 5일간 실행 결과 1초도 빠르거나 느려지지 않는 매우 정확한 시계가 되었습니다.

아두이노 내부 클럭 속도가 100% 정확하지 않은 것이 주된 문제입니다. 그냥 millis()에 의존하면 경과 밀리초 카운트가 약간 틀려서 시계가 시간이 지날수록 늦거나 빨라집니다. 제가 사용한 아두이노의 정확도를 테스트해 시간당 몇 밀리초가 빠르거나 느린지 측정하고, 매시간 그 차이를 내부적으로 추적하는 밀리초에서 더하거나 빼는 속도 보정을 프로그래밍했습니다.

또 다른 우려는 아두이노 클럭이 일관되게 부정확한지였지만, 5일간 정확한 시간을 유지했으므로 일관되게 틀린 것 같습니다.

두 번째 문제는 내부 millis() 함수가 약 50일마다 리셋되며 밀리초 카운트를 조작할 수 없다는 점입니다. 해결책은 millis() 인터럽트를 제가 조작할 수 있는 카운터로 대체하고, 자정부터의 밀리초를 세어 매일 리셋되도록 하여 런타임 제한을 없애는 것이었습니다.

부정확도 평가

내 컴퓨터 시계(따라서 Processing의 millis())가 정확하다고 가정했습니다. 아두이노가 핸드셰이크 이후 경과 밀리초를 2초마다 Processing으로 전송하고, Processing 스크립트가 이를 읽어 자신의 경과 밀리초와 비교해 실시간 결과와 1시간 후 차이를 표시하는 프로그램을 만들었습니다. 이를 통해 시간당 손실/증가 밀리초를 구해 시계 프로그램의 속도 보정값으로 사용했습니다.

아두이노 프로그램과 Processing 스크립트 코드는 아래에 있습니다.

Processing이 설치되어 있지 않다면 https://processing.org 에서 다운로드하고 배울 수 있습니다.

시계 코드

시계 코드에서 주요 관심사는 인터럽트 설정 및 활용 방식, 날짜 저장 및 조작 방식입니다.

인터럽트 설정

다음 코드는 1밀리초마다 트리거되는 인터럽트를 설정합니다. 이는 millis()를 유지하는 인터럽트를 가로채므로 millis()와 delay()는 더 이상 작동하지 않습니다.

// 시간 인터럽트 설정 - millis()는 50일 후 롤오버하므로
// 직접 밀리초 카운터를 사용해 매일 자정에 리셋
TCCR0A = (1 << WGM01);              // CTC 모드
OCR0A = 0xF9;                       // 비교값 249 = 1ms @ 16MHz/64
TIMSK0 |= (1 << OCIE0A);            // 비교 매치 인터럽트 활성화
TCCR0B |= (1 << CS01) | (1 << CS00); // 프리스케일러 64
TCNT0 = 0;                          // 카운터 초기화
sei();                              // 전역 인터럽트 활성화

1밀리초마다 호출되는 인터럽트 서비스 루틴:

volatile unsigned long currentTime = 0; // 자정부터 경과 밀리초
volatile unsigned long elapsed = 0;     // 지연 및 시간 카운트용

ISR(TIMER0_COMPA_vect) {
  if (currentMode != SET_TIME) currentTime++;
  elapsed++;
}

currentTime과 elapsed는 volatile로 선언해 메인 코드에서도 최신 값을 읽도록 했습니다.

currentTime은 자정부터의 밀리초를 저장하며, 이를 시:분:초로 변환하고 시간 설정 시 리셋하는 루틴이 있습니다.

24시간(86,400,000ms)이 경과하면 하루 치 밀리초를 빼고 날짜를 1일 증가시킵니다. 변수 최대값 제한에 영향받지 않습니다.

if ((currentMode == SHOW_TIME) && (currentTime > millisecondsInADay)) {
  noInterrupts();
  currentTime -= millisecondsInADay;
  interrupts();
  currentDate++;
}

인터럽트 중 currentTime 조작 시 오염 방지를 위해 인터럽트를 잠시 비활성화합니다.

매시간(3,600,000ms)마다 앞서 계산한 속도 보정값을 적용해 아두이노 내부 클럭의 빠름/느림을 보정합니다.

if (elapsed >= millisecondsInHour) {
  noInterrupts();
  currentTime += speedCorrection; // 양수면 느린 것, 음수면 빠른 것
  elapsed = 0;
  interrupts();
}

날짜 저장 및 계산 (율리우스 날짜)

날짜는 율리우스 날짜(Julian Date)로 저장합니다. 기원전 4713년 1월 1일 월요일부터 경과한 일수입니다. 율리우스 날짜 계산과 그레고리력 변환 루틴을 포함했습니다.

float JulianDate(int iday, int imonth, int iyear) {
  unsigned long d = iday, m = imonth, y = iyear;
  if (m < 3) { m += 12; y -= 1; }
  unsigned long t1 = (153 * m - 457) / 5;
  unsigned long t2 = 365 * y + (y / 4) - (y / 100) + (y / 400);
  return 1721118.5 + d + t1 + t2;
}
void GregorianDate(float jd, int &iday, int &imonth, int &iyear) {
  unsigned long f = jd + 68569.5;
  unsigned long e = (4.0 * f) / 146097;
  unsigned long g = f - (146097 * e + 3) / 4;
  unsigned long h = 4000ul * (g + 1) / 1461001;
  unsigned long t = g - (1461 * h / 4) + 31;
  unsigned long u = (80ul * t) / 2447;
  unsigned long v = u / 11;
  iyear = 100 * (e - 49) + h + v;
  imonth = u + 2 - 12 * v;
  iday = t - 2447 * u / 80;
}

설정 버튼

모드 버튼(핀 2)으로 현재 모드를 순환: 시간 표시 → 시간 설정 → 연도 설정 → 일/월 설정 → 속도 보정 설정 → 시간 표시.

각 모드에서 위/아래 버튼(핀 3, 4)으로 값 조절. 시계 실행 중 시간이 틀어지면 속도 보정 모드에서 5ms 단위로 조정 가능.

코드

시계 프로그램 (아두이노)

// Paul Brace - Feb 2021
// RTC 모듈 없이 아두이노만으로 날짜/시간 표시하는 정밀 시계
// 내부 클럭 속도 보정 기능 포함. 보정값 설정 후 5일간 오차 없음 검증.
// 16x2 LCD 표시, 버튼으로 시간/날짜/보정 설정
// 24시간제

#include <LiquidCrystal.h>
LiquidCrystal lcd(12, 13, 6, 7, 8, 9); // RS, EN, D4, D5, D6, D7

#define MODE_BUTTON 2
#define HOUR_BUTTON 3
#define UP_BUTTON 3
#define DAY_BUTTON 3
#define MINUTE_BUTTON 4
#define DOWN_BUTTON 4
#define MONTH_BUTTON 4

#define SHOW_TIME 1
#define SET_TIME 2
#define SET_YEAR 3
#define SET_DATE 4
#define SET_SPEED_ADJ 5

int speedCorrection = 3545; // 내 나노는 시간당 3545ms 느림 (빠르면 음수)
volatile unsigned long currentTime = 0;
unsigned long lastTime = -1000;
volatile unsigned long elapsed = 0;
unsigned long millisecondsInADay = 24ul * 60 * 60 * 1000;
unsigned long millisecondsInHour = 60ul * 60 * 1000;
int currentMode = SHOW_TIME;
float currentDate = 0.0;
float lastDate = 0.0;
int currentDay, currentMonth, currentYear;
char *dayArray[] = { "Tue. ", "Wed. ", "Thur. ", "Fri. ", "Sat. ", "Sun. ", "Mon. " };

void setup() {
  // 타이머0 인터럽트 설정 (1ms)
  TCCR0A = (1 << WGM01);
  OCR0A = 0xF9;
  TIMSK0 |= (1 << OCIE0A);
  TCCR0B |= (1 << CS01) | (1 << CS00);
  TCNT0 = 0;
  sei();

  pinMode(MINUTE_BUTTON, INPUT_PULLUP);
  pinMode(HOUR_BUTTON, INPUT_PULLUP);
  pinMode(MODE_BUTTON, INPUT_PULLUP);

  currentTime = 0;
  currentDate = JulianDate(1, 1, 2021);
  elapsed = 0;
  lcd.begin(16, 2);
  lcd.noAutoscroll();
  lcd.display();
  lcd.clear();
  ShowTime(currentTime);
}

void loop() {
  // 자정 넘으면 날짜 증가
  if ((currentMode == SHOW_TIME) && (currentTime > millisecondsInADay)) {
    noInterrupts();
    currentTime -= millisecondsInADay;
    interrupts();
    currentDate++;
  }
  // 매시간 속도 보정
  if (elapsed >= millisecondsInHour) {
    noInterrupts();
    currentTime += speedCorrection;
    elapsed = 0;
    interrupts();
  }
  CheckButtons();
  switch (currentMode) {
    case SHOW_TIME: ShowTime(currentTime); ShowDate(currentDate); break;
    case SET_TIME: ShowTimeSet(currentTime); break;
    case SET_YEAR: ShowYearSet(currentDate); break;
    case SET_DATE: ShowDDMMSet(currentDate); break;
    case SET_SPEED_ADJ: ShowSpeedSet(); break;
  }
  Wait(150);
}

ISR(TIMER0_COMPA_vect) {
  if (currentMode != SET_TIME) currentTime++;
  elapsed++;
}

// ... (JulianDate, GregorianDate, SplitTime, SetTime, Wait, CheckButtons,
//      FormatNumber, ShowTime, ShowDate, ShowDDMMSet, ShowYearSet,
//      ShowTimeSet, ShowSpeedSet 함수들 - 원문 참조) ...

아두이노 타이머 테스트 프로그램

// Paul Brace Feb 2021
// Processing 스크립트와 짝을 이뤄 아두이노 millis()와 컴퓨터 millis() 비교
int inByte = 0;
unsigned long firstReading = 100000;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  sayHello();
}
void loop() {
  if (Serial.available() > 0) {
    inByte = Serial.read();
    Serial.print(millis() - firstReading);
    Serial.print('E');
    delay(2000);
  }
}
void sayHello() {
  while (Serial.available() <= 0) {
    Serial.print('Z');
    delay(200);
  }
  firstReading = millis();
}

Processing 타이머 테스트 스크립트

// Paul Brace Feb 2021
// 아두이노에서 보낸 millis()를 읽어 내부 millis()와 비교해 아두이노 클럭 부정확도 측정
// 컴퓨터 클럭이 정확하다고 가정
// -ve = 아두이노가 느림 → 시계 프로그램에 +ve 보정값 입력
// +ve = 아두이노가 빠름 → -ve 보정값 입력

import processing.serial.*;
Serial theSerialPort;
int[] serialBytesArray = new int[15];
int bytesCount = 0;
boolean init = false;
int fillColor = 255;
long mills = 0, first = 0, now, firstReading = 100000, DiffPerHour = 0;
int inByte;

void setup() {
  size(500, 500);
  background(70);
  noStroke();
  printArray(Serial.list());
  String thePortName = Serial.list()[1];
  theSerialPort = new Serial(this, thePortName, 9600);
}
void draw() {
  background(70);
  fill(fillColor);
  textSize(25);
  text(hour() + ":" + minute() + ":" + second(), 50, 50);
  text("Incoming elapsed: " + mills, 50, 100);
  text("Local elapsed: " + (now - firstReading), 50, 150);
  text("Diff: " + (mills - (now - firstReading)), 50, 200);
  if (((now - firstReading) >= 3600000) && (DiffPerHour == 0)) {
    DiffPerHour = mills - (now - firstReading);
  }
  text("Diff after 1 hour: " + DiffPerHour, 50, 300);
}
void serialEvent(Serial myPort) {
  inByte = myPort.read();
  if (!init) {
    if (inByte == 'Z') {
      myPort.clear();
      init = true;
      myPort.write('Z');
      if (first == 0) first = millis();
    }
  } else {
    if (inByte != 69) { // 'E' 아님
      if (bytesCount < 14) {
        serialBytesArray[bytesCount] = inByte;
        bytesCount++;
      }
    }
    if (inByte == 69) { // 메시지 끝
      now = millis();
      mills = 0;
      for (int i = 1; i <= bytesCount; i++) {
        mills += (serialBytesArray[i-1] - 48) * pow(10, bytesCount - i);
      }
      if (firstReading == 100000) firstReading = now;
      myPort.write('Z');
      bytesCount = 0;
    }
  }
}

회로도