DCF77 라디오 시계 및 분석기 v2.0: 아두이노 메가/우노 기반 정밀 시계

프로젝트 개요

독일 프랑크푸르트에서 송출되는 DCF77 장파(77.5kHz) 표준 전파를 수신하여 시각을 동기화하는 고정밀 라디오 시계입니다. 단순한 시계 표시를 넘어 DCF77 신호의 펄스 폭, 주기, 패리티 비트 등을 실시간 분석·표시하는 '분석기' 기능을 탑재했습니다. 버전 2.0에서는 우도 클라인(Udo Klein)의 슈퍼필터(Superfilter)를 별도 아두이노 우노로 구현하여 수신 감도를 대폭 향상시켰습니다.

버전 2.0 주요 개선사항

• 코드 완전 재작성 및 상세 주석 추가 (가독성·유지보수성 확보)
• DCF77 슈퍼필터 전용 아두이노 우노 보드 추가 (노이즈 환경에서 신호 복원)
• PIR 모션 센서 연동으로 디스플레이 절전 모드 구현
• 보조 디스플레이 추가 (온도, 일출/일몰 시각 등)
• 맥심 MAX7219 대신 아두이노 메가 GPIO 직접 구동으로 다전압/다전류 LED 제어 문제 해결

하드웨어 구성

메인 보드: 아두이노 메가 2560

기능	핀	비고
DCF77 신호 입력 (슈퍼필터 출력)	D2 (인터럽트 0)	라이징/폴링 에지 모두 감지
PIR 모션 센서	D3	절전 모드 제어용
부저 스위치	D4	DCF 펄스 음성 모니터링
차임 스위치	D5	정시 알림음 제어
절전 스위치	D6	디스플레이 상시 ON/OFF
DS18B20 온도 센서	D8	1-Wire 버스
온도 Min/Max 리셋 버튼	D9	누르면 리셋
MAX7219 CS/CLK/DATA	D10/D11/D12	7세그 디스플레이 3개 제어 (공통 캐소드)
요일 LED (일~토)	D22~D28	7개 LED
CEST/CET/윤년/에러/동기 등 상태 LED	D29~D50	총 22개 상태 표시 LED
압전 부저	A7	DCF 펄스 비프음
사운드 보드 볼륨	A6	차임 볼륨 제어
차임 트리거	A5	LOW 액티브
I2C (RTC DS1307)	SDA/SCL	하드웨어 I2C

슈퍼필터 보드: 아두이노 우노 (별도)

우도 클라인의 DCF77 라이브러리 기반. 입력된 노이즈 섞인 DCF 신호를 필터링하여 클린한 펄스 스트림을 출력.

출력	핀	설명
필터링된 DCF 출력	D12	메인 보드 D2로 연결
반합성 신호	A2 (D16)	디버깅용
완전 합성 신호	D6	이상적 DCF 신호 재생성
모니터 LED	A4 (D18)	입력 신호 표시
1Hz 펄스/락 LED	D10	필터 락 상태
신호 품질 LED	D13	좋음/나쁨 표시

DCF77 프로토콜 핵심

• 매 초마다 펄스 전송 (시작 마커: 2초간 무신호 = 분 마커)
• 펄스 폭: 100ms = 비트 0, 200ms = 비트 1
• 분당 59비트 전송 (비트 0~58), 59번째 초는 무신호
• 패리티 비트 3개 포함: 분(P1, 비트 28), 시(P2, 비트 35), 날짜(P3, 비트 58) - 짝수 패리티
• 데이터: 분(6비트), 시(6비트), 일(6비트), 요일(3비트), 월(5비트), 년(8비트), 서머타임/윤년 플래그

소프트웨어 아키텍처 (메인 스케치)

인터럽트 기반 펄스 측정

volatile unsigned int DCFSignalState = 0;
unsigned long leadingEdge, trailingEdge, previousLeadingEdge;

void int0handler() {
  DCFSignalState = digitalRead(DCF77PIN);  // CHANGE 인터럽트
}

void scanSignal() {
  if (DCFSignalState == 1) {  // 라이징 에지
    leadingEdge = millis();
  } else {  // 폴링 에지
    trailingEdge = millis();
    // 주기(Period) = leadingEdge - previousLeadingEdge  → 1000ms 기대
    // 펄스 폭(Pulse Width) = trailingEdge - leadingEdge  → 100/200ms 기대
    // 오차 범위 초과 시 에러 플래그 설정
    // 패리티 검사 수행 (비트 28, 35, 58에서)
    // 분 마커(약 2000ms 갭) 감지 시 finalizeBuffer() 호출
  }
}

버퍼 처리 및 디코딩

• DCFbitBuffer[59]에 비트 순차 저장
• 내부 LED 링(MAX7219 #0)에 실시간 비트 표시
• 분 마커 감지 시 패리티 3개 모두 통과하면 외부 LED 링(#1)에 복사, RTC 동기화
• 패리티 실패 시 외부 링 클리어, 에러 카운터 증가, 시각 유지

주기적 태스크

void loop() {
  if (DCFSignalState != previousSignalState) scanSignal();
  checkSwitches();      // 스위치 상태 변화 감지
  checkPIR();           // PIR 모션 감지 → 절전 타이머 리셋
  tasksEverySecond();   // 초단위: 온도 요청, 부저, 차임 등
  tasksEveryMinute();   // 분단위: 디스플레이 업데이트, 패리티 LED 리셋
  tasksEveryHour();     // 시단위: 에러 카운터 리셋, 차임 울림
}

디스플레이 구성 (MAX7219 7세그먼트 × 7개)

디바이스 #	표시 내용	밝기
0	내부 LED 링 (수신 중인 비트)	1
1	외부 LED 링 (최종 디코딩된 비트)	1
2	버퍼 비트/에러 카운터	15
3	펄스 폭/주기 (L/R 분할 표시)	2
4	온도/주번호	15
5	날짜 (DD.MM)	7
6	시각 (HH:MM:SS)	1

절전 모드 (파워 세이빙)

• 야간 자동 소등: POWERSAVINGONTIME (기본 22시) ~ POWERSAVINGOFFTIME (기본 9시)
• PIR 모드: POWERSAVE_BY_PIR=1 시, PIR_DELAY_TIME분(기본 30분) 무동작 시 디스플레이 소등
• 절전 중에도 시계/RTC/수신 로직은 정상 동작
• 절전 대상 디스플레이 선택 가능 (함수 turnDisplaysOff() 수정)

온도 측정 (DS18B20)

• 1-Wire 버스, 분해능 12비트 (0.0625°C) 설정 가능
• 30초 마크마다 변환 요청, 1분마다 표시 갱신
• 최고/최저 온도 기록, 자정 또는 버튼으로 리셋

차임(정시 알림) 기능

• Adafruit 사운드 보드 FX 연동 (A5 핀 LOW 펄스로 트리거)
• 주간(절전 시간 외)에만 동작
• 볼륨은 부팅 시 A6 핀 펄스로 단계적 감소 설정

프론트 패널 제작 노하우

1. Inkscape로 벡터 디자인 (1:1 스케일 필수)
2. 온라인 포토 서비스(Dibond 패널 인쇄) 이용 시 반드시 1:1 출력 확인 후 주문
3. 레이저 커팅 아크릴 코팅 방식은 공차 문제로 비추천
4. 드릴링/라우팅으로 LED/스위치 홀 가공 후 패널 부착

교육/연구 활용 가치

• 장파 수신 및 신호 처리 실습 (노이즈 필터링, 패리티 검사, 클락 복원)
• 임베디드 실시간 시스템 설계 (인터럽트, 상태 머신, 태스크 스케줄링)
• 하드웨어/소프트웨어 협업 디자인 (슈퍼필터 별도 보드 분리)
• 오픈 소스 하드웨어 문서화 사례 (회로도, PCB 거버, 3D 케이스, 펌웨어 모두 공개)

참고 자료

• 작가 플리커: DCF77 시계 빌드 사진
• 작가 깃허브: 소스 코드 및 설계 파일
• 우도 클라인 블링크라이트: DCF77 슈퍼필터 상세 이론
• DCF77 위키피디아: 프로토콜 명세