CLEPCIDRE: digitalna ura iz steklenic jabolčnika: 8 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

Preden se poglobim v opis predmeta, moram pojasniti kontekst, v katerem je bil zasnovan in zgrajen. Moja žena je umetnica in v glavnem dela z glino, kot keramičarka, pa tudi z drugimi materiali, kot so les, skrilavec ali steklo. V večini svojih umetniških del poskuša prikazati sledi, ki jih je čas pustil na predmetih, in pogosto vključuje materiale, ki jih najdemo v naravi, kot so kosi lesa na plaži, da "rabljenim predmetom dajo drugo življenje". Njena svakinja in svak sta si nekoč izdelovala jabolčnik (v Normandiji) in še vedno na stotine steklenic jabolčnika spijo pod debelo plastjo prahu v starem tisku. To je bilo več kot dovolj, da je sprožila naslednjo idejo ustvarjanja moje žene: "uro za steklenice jabolčnika". Povezava s časom je očitna: te steklenice so imele veličastno preteklost in bi morale biti priča času, ki mineva, in skupaj tvoriti uro. Tako me je pred enim letom vprašala: "Draga, ali mi lahko narediš uro z lučkami pod 12 steklenicami jabolčnika? Steklenice v peči bom sama poravnala, za ostalo pa skrbiš ti: leseni nosilec, -paleta-, svetilke in vsa elektronska vezja! Želim prikazati čas, vendar ne vedno, tudi svetleče diode bi morale naključno utripati, ali je to mogoče? Morali bi najti tudi rešitev za pritrditev steklenic na paleto ". Ura bi morala biti pripravljena v enem mesecu …

"Vzdevek" tega umetniškega dela je "CLEPCIDRE", ki (v francoščini) pomeni "Circuit Lumineux Electronique Programmé sous bouteilles de CIDRE", je znak imena "CLEPSYDRE", ki označuje vodno uro, ki so jo izumili Egipčani. Žena ga imenuje "Les Bouteilles de Ma Soeur" (steklenice moje sestre).

Slika #1: Zaloga steklenic jabolčnika moje svakinje

Slika #2: Izvirni specifikacijski dokument

Slika od 3 do #6: pogled na uro

CLEPCIDRE je bil lani prikazan na dveh razstavah, prvi na "Greniers à Sel" v Honfleurju (Calvados, Normandija, Francija) aprila 2019 (slika #6) in drugi v Touquesu (Calvados, Normandija, Francija) junija 2019.

Zaloge

• Dvanajst steklenic jabolčnika (lahko poskusite z drugimi vrstami steklenic: šampanjec, peneče vino, … vendar brez garancije)
• Keramična peč (uporabili smo cilindrično peč z največjo obremenitvijo 5kVA)
• Paleta (deske od roba do roba, mere: +/- 107cmx77cmx16cm)
• Nekaj lesenih desk (za zapiranje stranic palete)
• 24 močnih belih LED s premerom 10 mm (npr.
• Arduino plošča: Uno ali Leonardo v redu, manjša plošča je lahko v redu, Mega je nekoliko pretirana
• Dva napajalnika (5V za LED in 12V za Arduino in RTC plošče, čeprav bi moralo biti 5V za Arduino v redu, vendar ne preizkušeno)
• Plošča RTC (uporabljal sem Adafruit DS1307, vendar priporočam natančnejši temperaturno kompenzirani RTC, ki temelji na DS3231; DS1307 se vsak dan premakne 2-3 sekunde in ga je treba redno prilagajati)
• 4 prestavni registri 74HC595 bodisi kot posamezni elementi (16-polni DIL CMOS IC) bodisi že nameščeni na ploščo (npr. Prelom registra premikov SparkFun-74HC595 ref BOB-10680)
• Epoksidne preskusne plošče (50*100 mm, luknje v skupini 3 in plošče za splošno uporabo z linearnimi bakrenimi trakovi)
• Diamantni sveder (6 ali 8 mm) in leseni mozniki (6 ali 8 mm)
• 24 1/4 W upori (220 Ω)
• Pritrdilni ovratnik za mehanski čep za steklenice (najdete ga v trgovini s strojno opremo ali na internetu)
• Lepilo, žice, toplotno skrčljiva puša, orodje,.., vijaki,.., spajkalnik (18 W OK)

1. korak: Najlažja stvar: Zapiranje strani palete

Poskusite najti leseno paleto (jaz sem našel eno približno 107 cm*77 cm). Med lesenimi ploščami ne sme biti nobenih vrzeli.

Pritrdite 4 lesene plošče z vijaki, po enega na vsaki strani. Odrežite 4 plošče iz večjih, da dobite prave dimenzije.

Ker lahko obstajajo (in verjetno bodo) podstavki za noge, jih priporočam, da jih razrežete, kot je prikazano na sliki, to bo sprostilo dostop do spodnjih plošč in omogočilo vrtanje lukenj za svetleče diode.

Kasneje, ko bodo označeni položaji svetilk, bo treba vrtati v dveh stopnjah, najprej luknjo s premerom vodila (9 - 10 mm) in nato večjo luknjo (recimo 2 cm), da dobimo debelino ustreza višini vodila (debelina lesene plošče bo verjetno večja od višine vodila)

Slika 1: Paleta od spodaj z že izvrtanimi vodilnimi luknjami

2. korak: Poravnajte steklenice jabolčnika

Naša zmogljivost peči omogoča ogrevanje 6 steklenic hkrati na 3 nivojih. Pri postavljanju steklenic se prepričajte, da steklenice niso v stiku med seboj, niti s stenami pečice niti s stebri.

Lahko ste ustvarjalni in v steklenice dodate na primer steklene kroglice ali školjke ali majhne kamne. Pod steklenice lahko vstavite tudi terakotni nosilec, slednji bo med segrevanjem dobil obliko podpore.

Najpomembnejše pri tem postopku je, da se steklenice zelo počasi ohladijo in da peči ne odprete prezgodaj, tudi če menite, da je temperatura peči enaka sobni, morate vedeti, da temperatura stekla ostane višja od peči v določenem času in vsak temperaturni šok, tudi majhen, lahko povzroči razbijanje stekla. Steklenice so se nam zlomile en ali dva dni po ogrevanju in priporočam, da upoštevate +/- 30% izgubljene (predvidejte 16 do 18 steklenic, da jih dobite na koncu 12, da ne govorimo o tistih, s katerimi ne boste zadovoljni od).

Tu prikazani temperaturni profil je treba obravnavati kot primer in odraža le značilnosti naše peči. Izvedite nekaj preskusov z lastno opremo, da ugotovite najprimernejšo končno temperaturo. Če se preveč segrejete, boste dobili popolnoma ravne steklenice, če pa segrejete premalo, steklenice ne bodo dovolj sploščene.

Slika 1: Peč, splošni pogled

Slika 2: Dve steklenici spljoščeni (trenutno nimam slike steklenic v peči pred ogrevanjem)

Slika 3: Tipičen temperaturni profil

3. korak: Poiščite steklenice in položaje vodil

Pozneje bom razložil, da sta pri zasnovi ure pod vsako steklenico dve lučki, "zunanje" prikazujejo ure (0 do 11 in 12 do 23), notranje pa minute v koraku 5 (0, 5,… 55). Najprej morate steklenice postaviti okoli palete. Za to morate najprej raztegniti strune med osrednjo potisno iglo in 12 potiskov okoli palete, če je mogoče "diametralno nasprotno". 4 položaji so očitni in jih je enostavno najti: 0, 3, 6 in 9 ur (strune se spojijo na sredino vsake strani, dva po dva). 4 druge vrstice so nekoliko bolj zapletene. Morate usmeriti strune tako, da je za vsako steklenico dovolj prostora (steklenice so poravnane dva za dve z osjo, ki ustreza nizu), steklenica pa daje vtis, da so enakomerno porazdeljene. Ta korak zahteva malo poskusov in napak. Upoštevajte tudi, da ker niso vsi enaki, morate izbrati, kam naj gre vsaka steklenica (to je stvar "umetniškega občutka"). Ko je izbrano mesto vsake steklenice, ne pozabite na vsako steklenico pritrditi nalepko z njeno številko in na paleto označiti spodnji del vsake steklenice (glejte nadalje). Te točke in vrvice bodo kasneje uporabljene za iskanje lukenj pritrdilnih moznikov.

Nato morata biti obe steklenici postavljeni relativno na vsako steklenico, nato pa se položaji prenesejo na paleto.

Za to sem zgradil škatlo z dvema "mobilnima" ploščama (glej sliko), prvo pravokotno na os steklenice in drugo, ki je na prvo pritrjeno na njeno sredino, kar omogoča vrtenje, poravnano na to os. V tej drugi plošči sem izvrtal dve luknji (premera 9 ali 10 mm), eno od njih v obliki gumbnice, tako da je mogoče eno vodilo premikati vzdolž osi. Uporabljam 5V za vsak LED, izbran z Arduino plošče ali katerega koli drugega vira. BODI PREVIDEN! Svetleče diode z visoko svetilnostjo so lahko škodljive, če jih pogledate neposredno, zato je zelo priporočljivo, da nad svetilke postavite trak prosojnega škotskega traku.

Vsako steklenico postavite na vrh škatle in premikajte obe deski in »mobilni« vodilnik, dokler ne boste zadovoljni z učinkom (ne pozabite, da ste v nekatere steklenice morda vstavili steklene kroglice in da so svetleče diode pod takšnimi kroglicami povečale svetlobni učinek), izmerite položaj svetilk glede na sredino dna steklenice in njeno os ter te točke s svinčnikom prenesite na paleto. Ko je na paleti označenih vseh 24 točk, izvrtajte pilotne luknje (premer 2-3 mm).

Opomba: zadnja slika prikazuje prvo postavitev strune, ki je temeljila na fiksnem kotu 30 ° med njima, vendar, kot lahko vidimo, to ni bilo združljivo s prostorom, ki ga potrebujejo steklenice; Moral sem ponovno poravnati strune na steklenicah.

Slika 1: Risba, ki prikazuje LED diode in njihov pomen

Slika 2: Posebna škatla za iskanje položaja LED pod vsako steklenico

Slika 3: Ista škatla s steklenico

Slika 4: Postavitev steklenic (in vrvic) na paleto

4. korak: Vrtanje lukenj za LED

S pomočjo pilotnih lukenj v prejšnjem koraku morate zdaj izvrtati luknje za svetleče diode, ker pa bo debelina paletne plošče verjetno večja od višine svetilk, morate debelino zmanjšati tako, da izvrtate večjo luknjo (na primer z 2 cm vrtalnik za les). Najprej izvrtajte večjo luknjo (globina mora biti takšna, da "nevrtana" debelina ustreza višini svetilke), nato pa luknje svetilk. Po potrebi nastavite tako, da bo vrh svetilke poravnan s površino lesa.

Vsako luknjo označite z oznakami Hx in Mx (H za ure in M za minute, x = 0, 1,..11).

To ponazarja slika.

5. korak: Vrtanje lukenj v steklenicah za pritrdilne moznike

Kako vrtati luknje v steklu, najdete na tej spletni strani:

Poiščite položaj luknje na osi steklenice, tako da ne prekriva led, približno 2-3 cm od spodnjega središča steklenice mora biti v redu. Na spodnji strani izvrtajte luknjo (premera 8 mm), vendar za polovico debeline (ne izvrtajte skozi celotno debelino steklenice!). Označite isto točko na zgornji strani palete in izvrtajte luknjo istega premera (skozi celotno debelino OK). Položaj luknje se meri na vrvici od dna steklenice, ki bi jo morali označiti med pozicioniranjem.

Močnike pritrdite na vsako steklenico v luknji z močnim lepilom (dvojne komponente) in pustite, da se lepilo posuši.

Takoj, ko so mozniki pritrjeni, lahko steklenice položite na (vodoravno) paleto tako, da vtaknete njihove moznike v luknje. Steklenice je treba postaviti od glave do repa, prvega (12 ur) z vratom navzven.

Odstranite steklenice (nežno izvlecite njihov moznik iz lesa).

Sedaj lahko vstavite svetleče diode v njihove luknje, premajhne luknje znova nastavite. Za tiste, ki so preveliki, boste morali led blokirati z majhnim kosom lesa, privitim pod njim.

Opazil sem, da je tudi skozi steklenice svetloba, ki jo proizvajajo svetleče diode, premočna in sem jih pobarval v bledo rumeno.

Slika 1: Material za vrtanje stekla (opomba: pod steklenico sem uporabil gumijasto podlogo)

6. korak: Elektronski del

Osnovno ukazno vezje LED je prikazano na prvi sliki (upoštevajte, da plošča RTC ni prikazana na tem diagramu, vendar je njeno povezovanje z Arduinom enostavno in dobro dokumentirano, v večini primerov proizvajalec RTC zagotovi knjižnico). V končni različici so plošče za kruh zamenjale tiskane plošče.

Odločil sem se, da ločim urni vmesnik od minutnega vmesnika, da bom program nekoliko olajšal. Vsak vmesnik temelji na dveh zaporedno povezanih registrih premikov 74HC595. Uporabljajo se vsi izhodi prvega registra (0 do 7), za drugega pa le prvi štirje (8 do 11).

Za končni sistem sem ustvaril dva ločena vmesnika z uporabo preskusnih plošč 5 cm x 10 cm (luknje združene v 3). Uporabil sem dve vrsti 74HC595, prvi so bili domači 16-pinski DIL IC-ji, ki sem jih namestil na dva 16-pinska nosilca, spajkana na ploščo, drugi pa dve majhni plošči, ki sem jih kupil pri Sparkfun, z eno površino 74HC595 nameščen na vsakem (slika #7).

Ker se mi je mudilo, nisem mogel čakati na izdelavo tiskanih vezij, zato sem tiskalno vezje izdelal sam s preskusnimi ploščami, vendar so diagrami tiskanega vezja zdaj na voljo za oba vmesnika (glej slike tiskanega vezja). Upoštevajte, da imate izbiro med samo eno vrsto ali kombinacijo obeh vrst, to je odvisno od vas. Upoštevajte tudi, da izdelanega tiskanega vezja še nisem preizkusil (datotek Fritzing ni mogoče naložiti tukaj, vendar jih lahko po potrebi posredujem).

Prilagoditev RTC: pri prvi priključitvi Arduina na RTC boste morali pravilno nastaviti uro. Sčasoma je ta prilagoditev spet potrebna za kompenzacijo premikanja RTC (2-3 sekunde na dan).

Ta nastavitev poteka v nastavitvi () pod pogojem, da naslednje navodilo ni komentirano:

//#define RTC_ADJUST true // Če je definirano, bo nastavitev RTC izvedena v nastavitvah

Če je zgornja vrstica komentirana, bo set-up () prilagodil RTC z vrednostmi naslednjih konstant (ne pozabite te konstante inicializirati s trenutnimi vrednostmi, tj. Vrednostmi v času sestavljanja in prenosa program za Arduino)

// Ne pozabite prilagoditi spodnje konstante, če je RTC_ADJUST definiran !!#define DEF_YEAR 2019 // Privzeto leto, uporabljeno pri začetni prilagoditvi RTC

#define DEF_MONTH 11 // Privzeti mesec, uporabljen pri začetni prilagoditvi RTC

#define DEF_DAY 28 // Privzeti dan, uporabljen pri začetni prilagoditvi RTC

#define DEF_HOUR 11 // Privzeta ura, uporabljena pri začetni prilagoditvi RTC

#define DEF_MIN 8 // Privzeta minuta, uporabljena pri začetni prilagoditvi RTC

#define DEF_SEC 0 // Privzeta sekunda, uporabljena pri začetni prilagoditvi RTC

Pomembno je tudi: ko je prišlo do prilagoditve, ne pozabite ponovno komentirati vrstice in znova prenesti program v Arduino

//#define RTC_ADJUST true // Če je definirano, bo pri nastavitvi prišlo do prilagoditve RTC

sicer bi pri vsakem ponovnem zagonu programa (vklop ali ponastavitev Arduina) prišlo do nastavitve RTC z napačnimi vrednostmi. To se je med mojimi testi res zgodilo !! (Pozabil sem ponovno komentirati to vrstico in nisem razumel, kaj se dogaja …).

Zdaj pa poglejmo samo funkcijo ure.

V bistvu obstajata dva načina prikaza:

1. Način URE (glejte sliko št. 9)

   1. ura, ki ustreza trenutni uri, je VKLOPLJENA
   2. minuta, ki ustreza trenutnemu večkratniku 5 minut, je VKLOPLJENA (ta LED ostane vklopljena 5 minut)
   3. vsaka minuta, razen tiste, ki je vklopljena, utripa v 5 sekundah (ta led izhaja iz "druge" vrednosti, odčitane iz RTC)

NAČIN RANDOM (glej sliko št. 10)

vse LED se naključno vklopijo in izklopijo, razen trenutnih "urnih" in "minutnih"

Čas, v katerem je vklopljena minuta vode, traja 5 minut, vendar v tem času "prava" minuta napreduje. Na primer, ko trenutna minuta postane 15, se bo "vzhodna" LED vklopila v 5 minutah, dejanska minuta pa bo v teh 5 minutah 15, 16, 17, 18 in 19 (temu bomo rekli "5 minut" cikel ")

Program naredi tri stvari:

1. Izračuna razliko med "resnično" minuto in prikazano minuto ter poda 5 vrednosti: 0, 1, 2, 3 in 4
2. Izračuna, kako dolgo naj traja naključni način, tako da pomnožite število, ki ste ga našli zgoraj, s 6 sekundami, kar vodi do 5 vrednosti: 0, 6, 12, 18 in 24 (sekunde) za naključni način ter razliko med temi vrednostmi in 30 za način ure (30, 24, 18, 12 in 6 sekund)
3. To porazdelitev med načini ponovi dvakrat v vsaki minuti (skupaj sta oba načina vedno 30 sekund)

Ta "5 -minutni cikel" se vedno znova uporablja, vsakič, ko se vklopi naslednji "minutni cikel" (kar se zgodi vsakih 5 minut).

Opomba: realno minuto je mogoče preprosto izšteti, kako dolgo traja naključni način, in to trajanje deliti s 6; če na primer štejete 18 sekund za naključni način in je "25" minut VKLOPLJENO, to pomeni, da je dejanska minuta 28 (18/6 = 3 in 25+3 = 28)

Na tem videoposnetku je najprej prikazan način ure (trenutni čas med 10h25 in 10h29), nato naključni način (traja 6 sekund, kar pomeni, da je trenutnih minut 26), nato pa spet način ure. Upoštevajte, da je paleta postavljena na tla in da je steklenica "polnoč" na desni. Od te prve razstave je ura zdaj postavljena navpično na stojalu (slika #11)

Upoštevajte tudi, da naključni način ne vpliva na trenutno uro (10h) in minuto (25m).

Opombe glede diagramov PCB

Prvo tiskano vezje (izvorno 74HC595: slika št. 4):

• U1 in U2 sta 74HC595 IC
• Postavitev zatičev je na sliki #6 (glej tudi zatič, uporabljen v Arduinu, v deklaraciji spremenljivke programa)

Drugo tiskano vezje (odmične plošče Sparkfun 74HC595: slika #5)

Postavitev zatičev je na sliki #7

Uporabil sem moške pinske glave, spajkane na obeh vmesniških ploščah, tako da so vsi priključki žic ženski.

7. korak: Pritrditev steklenic na paleto in priključitev svetilk

Za vsako steklenico po vrsti:

• Poiščite njen vrat na paleti (steklenico postavite na mesto, označite vrat in odstranite steklenico)
• Privijte pritrdilni ovratnik z vijakom v sredini in na sredini vratu (označeno na paleti). Uporabil sem samovrtalne mavčne vijake. Pilotsko luknjo v ovratniku lahko izvrtate, če se vam zdi to lažje.
• Vstavite moznik steklenice v luknjo na paleti
• Zaprite ovratnik okoli vratu steklenice, steklenico bi morali zdaj pritrditi na paleto

To je to! (ne pozabite odstraniti vrvic in nalepk steklenic na koncu).

Za vsak led:

Priključite obe led nogi na žici + in GND. + Prihaja iz ustreznega izhodnega zatiča na vmesniški plošči, GND pa iz ene od vmesnih "distribucijskih plošč GND"; te plošče so preprosto preskusne plošče (+/- 2 cm x 5 cm) z linearnimi pasovi, na katere ste spajkali glave moških zatičev z vsemi njihovimi zatiči, spajkanimi na istem pasu, pri čemer je en pin povezan z enim vmesnikom GND; če vam primanjkuje zatičev GND, preprosto povežite pas z drugim in jih povežite skupaj. Priporočam, da spajkane LED-spoje izolirate s toplotno skrčljivo pušo (modra za GND in rdeča za LED-signal, "+")

Pritrdite vse plošče na paleti spodaj in jih povežite z žicami, zaključenimi z ženskimi priključki (Arduino na vmesniške plošče, 6 signalov + GND, napajalniki na Arduino in vmesniške plošče ter RTC, RTC na Arduino, vmesniške plošče na 24 LED (12 na eni vmesniški plošči). Ne pozabite priključiti GND na vse plošče.

Napajalnike pritrdite na eno navpično leseno ploščo, na prvo priključite napajalni kabel, na drugo pa verižico verižice (previdno, kabel za izmenični tok priključite šele, ko so povezave končane!).

Spodnji video prikazuje tri prve minute enega 5 -minutnega cikla. Trenutni čas je skoraj 4h55 in video se začne tik preden LED "50min" preklopi na "55min" (najprej zadnje sekunde 24 -sekundnega naključnega načina, 6 -sekundni način ure in nato preklop na 55 -minutni). V prvi minuti (16h55) je prikazan samo način ure (60 sekund), v drugi minuti (16h56) se vsak 30 -sekundni korak začne s 6 -sekundnim naključnim načinom, nato pa v tretji minuti sledi 24 -urni način ure (16h57), 12 sekund naključno in 18 sekundna ura (dvakrat)

8. korak: Opombe, razširitve in izboljšave

Opombe:

• Ko se program zažene, počaka do naslednje "polne minute" (tj. RTC-sekund = 0), preden se začne prikazovanje LED

• Nekateri parametri v programu omogočajo

  • Izberite drugačno orientacijo za LED "polnoč"
  • Dva načina razdelite na eno polno minuto namesto dvakrat po 30 sekund
• Nosilec palet in steklenice za jabolčnik niso nujno potrebni, lahko izumite druge vrste nosilcev zaslona, na primer škatlo za sladkor, kot je prikazano na sliki

Razširitve:

• Program sem prilagodil in naredil "tabelarno" različico, ki omogoča podrazdelitev ure/naključnih načinov na podlagi časovne tabele in ne na vnaprej določenem pravilu
• Tabela, odvisna od koledarja (datum, začetna ura, ura ustavljanja) omogoča nadzor časa začetka in konca ure, tako da jo lahko pustite vklopljeno, ko se razstava zvečer zapre (samodejno se bo ustavi zaslon in zažene zjutraj brez kakršnih koli ročnih ukrepov)
• Program ima različico, pri kateri se zaslon sproži z zaznavanjem prisotnosti obiskovalca in se ustavi 5 minut po odsotnosti obiskovalcev.

Izboljšave:

• RTC: stabilnejša različica bi lahko nadomestila doslej uporabljeno 1307
• Lahko bi dodali ročno nastavitev RTC (na primer z dodajanjem dveh rotacijskih kodirnikov, na primer https://wiki.dfrobot.com/Rotary_Switch_Module_V1_… in s tipko za potrditev novih nastavitev ur in minut)