CLEPCIDRE: un rellotge digital d'ampolles de sidra: 8 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Abans d’endinsar-me en la descripció de l’objecte he d’explicar el context en què s’ha dissenyat i construït. La meva dona és artista i treballa bàsicament amb fang, com a ceramista, però també amb altres materials com la fusta, la pissarra o el vidre. En la majoria de les seves obres d'art, intenta mostrar els rastres que deixava el temps en els objectes i sovint incorpora materials que es troben a la natura com trossos de fusta a la platja, per "donar una segona vida als objectes usats". La seva germana i el seu cunyat feien la seva pròpia sidra (a Normandia) i encara tenen centenars d'ampolles de sidra dormint sota una gruixuda capa de pols a la seva antiga premsa. Això va ser més que suficient per desencadenar la següent idea de la meva dona: "un rellotge d'ampolles de sidra". El vincle amb el temps és evident: aquestes ampolles han tingut un passat gloriós i ara haurien de ser testimoni del pas del temps i formar junts un rellotge. Així que fa un any em va preguntar: "Querida, pots fer-me un rellotge amb llums sota 12 ampolles de sidra? Vaig a aplanar jo mateix les ampolles del meu forn i et preocupes per la resta: el suport de fusta, un palet-, les làmpades i tots els circuits electrònics! Vull mostrar l'hora, però no sempre, els leds també haurien de parpellejar a l'atzar, és possible? També hauríeu de trobar la solució per fixar les ampolles al palet ". El rellotge hauria d'estar llest en un mes …

El "sobrenom" d'aquesta obra d'art és "CLEPCIDRE", que significa (en francès) "Circuit Lumineux Electronique Programmé sous bouteilles de CIDRE", és un gest amb el nom "CLEPSYDRE" que designa un rellotge d'aigua inventat pels egipcis. La meva dona en diu "Les Bouteilles de Ma Soeur".

Imatge 1: el fons d’ampolles de sidra de la meva cunyada

Imatge 2: el document d'especificacions original

Imatge # 3 a # 6: vistes del rellotge

CLEPCIDRE s’ha mostrat durant dues exposicions l’any passat, la primera als "Greniers à Sel" d’Honfleur (Calvados, Normandia, França) l’abril de 2019 (imatge núm. 6) i la segona a Touques (Calvados, Normandia, França) al juny del 2019.

Subministraments

• Dotze ampolles de sidra (podeu provar altres tipus d’ampolla: cava, vi escumós, … però sense garantia)
• Un forn de ceràmica (hem utilitzat un forn cilíndric de 5 kVA de càrrega superior)
• Un palet (taulers de vora a vora, dimensions: +/- 107cmx77cmx16cm)
• Algunes taules de fusta (per tancar els laterals del palet)
• 24 leds blancs d'alta potència de 10 mm de diàmetre (per exemple,
• Una placa Arduino: Uno o Leonardo OK, la placa més petita pot estar bé, Mega és una mica excessiu
• Dues fonts d'alimentació (5V per a leds i 12V per a plaques Arduino i RTC, tot i que 5V per a Arduino haurien d'estar bé, però no s'han provat)
• Una placa RTC (he utilitzat un Adafruit DS1307, però recomanaria un RTC compensat per temperatura més precís basat en DS3231; el DS1307 canvia de 2-3 segons cada dia i necessita un reajustament regular)
• 4 registres de desplaçament 74HC595 ja siguin elements individuals (IC pin CMOS DIL de 16 pins) o ja muntats a la placa (per exemple, SparkFun Shift Register Breakout - 74HC595 ref BOB-10680)
• Taulers de proves epoxi (50 * 100 mm, forats en grup de 3 i taulers d'ús general amb bandes de coure lineals)
• Broca de diamant (6 o 8 mm) i clavilles de fusta (6 o 8 mm)
• Resistències de 24 1/4 W (220 Ω)
• Collaret de fixació per endoll mecànic d'ampolla (que es troba a la ferreteria o a Internet)
• Cola, cables, mànega termorretractable, eines,.., cargols,.., soldador (18W OK)

Pas 1: el més fàcil: tancar els costats del palet

Intenta trobar un palet de fusta (n’he trobat un d’uns 107cm * 77cm). No hi hauria d’haver cap espai entre les taules de fusta.

Fixeu 4 taulers de fusta amb cargols, un a cada costat. Talleu els 4 taulers dels de lager per obtenir les dimensions adequades.

Com que hi pot haver (i probablement hi haurà) taulers de peu, recomano tallar-los tal com es mostra a la imatge, això permetrà alliberar l'accés als taulers inferiors i permetre la perforació de forats per als leds.

Posteriorment, quan s’hauran marcat les posicions dels leds, caldrà perforar en dues etapes, primer el forat amb el diàmetre del led (9 - 10mm) i després el forat més gran (per exemple, 2cm) per obtenir el gruix corresponent a l'alçada del led (és probable que el gruix del tauler de fusta sigui superior a l'alçada del led)

Imatge 1: El palet vist des de baix amb els forats de led ja perforats

Pas 2: aplaneu les ampolles de sidra

La nostra capacitat de forn permet escalfar 6 ampolles a la vegada en 3 nivells. Quan col·loqueu les ampolles, assegureu-vos que les ampolles no estiguin en contacte, ni amb les parets del forn ni amb les columnes.

Podeu ser creatiu i afegir, per exemple, perles o petxines de vidre o petites pedres a les ampolles. També podeu introduir un suport de terracota sota les ampolles, que prendran la forma del suport durant la calefacció.

El més important en aquest procés és deixar refredar les ampolles molt lentament i no obrir el forn massa d'hora, fins i tot si creieu que la temperatura del forn és igual a la de l'habitació, heu de saber que la temperatura del vidre continua sent superior a la forn durant un determinat temps, i qualsevol xoc de temperatura, fins i tot petit, pot causar trencament de vidre. Ens hem trencat les ampolles un o dos dies després de la calefacció i us recomano tenir en compte un +/- 30% de la pèrdua (preveieu de 16 a 18 ampolles per obtenir-ne 12 al final, per no parlar de les que no us quedarà satisfet de).

El perfil de temperatura que es proporciona aquí s’ha de considerar com un exemple i només reflecteix les característiques del nostre forn, haureu de realitzar algunes proves amb el vostre propi equip per tal de trobar la temperatura final més adequada. Si escalfeu massa obtindreu ampolles completament planes mentre que si escalfeu menys les ampolles no s’aplanaran prou.

Imatge 1: El forn, vista general

Imatge 2: dues ampolles aplanades (ara mateix no tinc cap imatge de les ampolles del forn abans de la calefacció)

Imatge 3: perfil de temperatura típic

Pas 3: localitzeu les posicions de les ampolles i els leds

En el disseny del rellotge, ho explicaré més endavant, hi ha dos leds sota de cada ampolla, els "externs" que mostren les hores (0 a 11 i 12 a 23) i els interns que mostren els minuts per pas de 5 (0, 5, … 55). Primer heu de col·locar les ampolles al voltant del palet. Per a això, primer cal estirar les cordes entre una agulla central i 12 agulles al voltant del palet, si és possible "diametralment oposades". Hi ha 4 posicions òbvies i fàcils de trobar: 0, 3, 6 i 9 hores (les cordes s’uneixen al centre de cada costat, de dues en dues). Les altres 4 línies són una mica més complicades. Cal orientar les cordes de manera que hi hagi prou espai per a cada ampolla (les ampolles s’alineen de dos en dos amb el seu eix corresponent a la corda) i l’ampolla dóna la impressió de distribuir-se per igual. Aquest pas requereix una petita prova i error. Tingueu en compte també que, com que no són tots iguals, heu de triar cap a on hauria d'anar cada ampolla (es tracta de "sentiment artístic"). Un cop triat el lloc de cada ampolla, no oblideu adjuntar una etiqueta amb el seu número a cada ampolla i posar una marca al palet del centre inferior de cada ampolla (vegeu més endavant). Aquests punts i les cordes s’utilitzaran més endavant per localitzar els forats de les clavilles de fixació.

A continuació, els dos leds s'han de col·locar relativament a cada ampolla i després s'han de transferir les posicions al palet.

Per a això he construït una caixa amb dues taules "mòbils" (vegeu la imatge), la primera perpendicular a l'eix de l'ampolla i la segona, que es cargola a la primera al centre, permetent la rotació, està alineada sobre aquest eix. En aquest segon tauler he perforat dos forats (9 o 10 mm de diàmetre) un d'ells en forma de botonera perquè es pugui moure un led al llarg de la direcció de l'eix. Aplico 5V a cada led, triat d'una placa Arduino o qualsevol altra font. VES AMB COMPTE! Els leds d’alta lluminositat poden ser perjudicials si els mireu directament, de manera que es recomana col·locar una banda de cinta adhesiva translúcida per sobre dels leds.

Col·loqueu cada ampolla a la part superior de la caixa i moveu les dues taules i el led "mòbil" fins que estigueu satisfet de l'efecte (recordeu que és possible que hàgiu inserit perles de vidre en algunes ampolles i col·locar leds a sota d'aquestes perles augmenten l'efecte de la llum). mesureu la posició dels leds respecte al centre inferior de l'ampolla i el seu eix i transfereu aquests punts al palet amb un llapis. Quan s'hagin marcat els 24 punts al palet, practiqueu forats pilot (2-3 mm de diàmetre).

Nota: la darrera imatge mostra el primer posicionament de la corda que es basava en un angle fix de 30 ° entre elles, però, com es pot veure, no era compatible amb l’espai que necessitaven les ampolles; Vaig haver de tornar a alinear les cordes de les ampolles.

Imatge 1: Dibuix que mostra els leds i el seu significat

Imatge 2: la caixa especial per situar la posició dels leds sota cada ampolla

Imatge 3: La mateixa caixa amb una ampolla

Imatge 4: Col·locació de les ampolles (i cordes) al palet

Pas 4: perforació de forats per als leds

Utilitzant els forats pilot del pas anterior, ara hauríeu de foradar els leds, però, com que el gruix de la placa de palet és probable que sigui superior a l’alçada dels leds, haureu de reduir el gruix perforant un forat més gran (per exemple, amb un Trepant de fusta de 2 cm). Practicar primer el forat més gran (la profunditat ha de ser tal que el gruix "no perforat" correspongui a l'alçada del led) i després els forats dels leds. Ajusteu-ho si cal perquè la part superior de la làmpada quedi al ras de la superfície de la fusta.

Marqueu cada forat amb etiquetes Hx i Mx (H per hores i M per minuts, x = 0, 1,..11).

Ho il·lustra la imatge.

Pas 5: perforar forats a les ampolles per a les espigues de fixació

Com es poden perforar forats de vidre en aquest lloc:

Cerqueu la posició del forat a l'eix de l'ampolla de manera que no es superposi a un led, a uns 2-3 cm del centre inferior de l'ampolla. Practicar un forat (8 mm de diàmetre) a la part inferior, però a la meitat del gruix (no perforar tot el gruix de l'ampolla!). Marqueu el mateix punt a la part superior del palet i practiqueu un forat del mateix diàmetre (tot el gruix està bé). La posició del forat es mesura a la corda des de la part inferior de l'ampolla que hauríeu d'haver marcat durant la posició.

Fixeu els tacs de cada ampolla del forat amb una cola forta (components dobles) i deixeu-la assecar.

Tan bon punt es fixin els tacs, es poden col·locar les ampolles sobre el palet (horitzontal) introduint els tacs als forats. Les ampolles s’han de col·locar de cap a cua, la primera (12h) amb el coll cap enfora.

Traieu les ampolles (traient suaument el seu pas de la fusta).

Ara podeu inserir els leds als seus forats i tornar a ajustar els forats que són massa petits. Per a aquells que siguin massa grans, haureu de bloquejar el led amb un petit tros de fusta cargolat a sota.

Vaig notar que, fins i tot a través de les ampolles, la llum produïda pels leds era massa forta i les vaig pintar de groc pàl·lid.

Imatge 1: El material de perforació de vidre (nota: he utilitzat una estora de goma sota l'ampolla)

Pas 6: la part electrònica

El circuit de comandament bàsic del led es mostra a la primera imatge (tingueu en compte que la placa RTC no es mostra en aquest diagrama, però connectar-la a Arduino és fàcil i ben documentada, en la majoria dels casos el fabricant de RTC proporciona una biblioteca). A la versió final, les taules de pa han estat substituïdes per PCB.

Vaig decidir separar la interfície horària de la interfície de minuts per fer el programa una mica més fàcil. Cada interfície es basa en dos registres de desplaçament 74HC595 connectats en sèrie. S'utilitzen totes les sortides del primer registre (0 a 7), mentre que només calen les primeres quatre per al segon (8 a 11).

Per al sistema final, he creat dues interfícies separades mitjançant taules de prova de 5 cm x 10 cm (forats agrupats per 3). He utilitzat dos tipus de 74HC595, el primer dels IC DIL de 16 pins natius que he muntat en dos suports de 16 pins soldats al tauler i el segon són dues tauletes petites que he comprat a Sparkfun amb una superfície 74HC595 muntat a cada un (imatge # 7).

Com que tenia pressa, no podia esperar la fabricació de circuits impresos, de manera que vaig fabricar el PCB jo mateix amb plaques de prova, però els diagrames de PCB ja estan disponibles per a les dues interfícies (vegeu les imatges del PCB). Tingueu en compte que només podeu escollir entre un tipus o la combinació dels dos tipus; això depèn de vosaltres. Tingueu en compte també que encara no he provat el PCB fabricat (els fitxers Fritzing no es poden penjar aquí, però els puc proporcionar si se’ls demana).

Ajust RTC: la primera vegada que Arduino es connecta al RTC, haureu de configurar el rellotge correctament. Finalment, aquest ajust es requereix de nou per compensar el canvi de RTC (2-3 segons al dia).

Aquest paràmetre es produeix a la configuració () sempre que no es comenti la instrucció següent:

// # define RTC_ADJUST true // Si es defineix, l'ajust de RTC tindrà lloc en la configuració

Si es comenta la línia anterior, set-up () ajustarà el RTC amb els valors de les següents constants (no oblideu inicialitzar aquestes constants amb els valors actuals, és a dir, els valors en el moment de la compilació i descàrrega de la programa a Arduino)

// No oblideu ajustar la constant següent si es defineix RTC_ADJUST !! # define DEF_YEAR 2019 // L’any predeterminat utilitzat en l’ajust inicial de RTC

#define DEF_MONTH 11 // El mes per defecte utilitzat en l'ajust inicial de RTC

#define DEF_DAY 28 // El dia per defecte utilitzat en l'ajust RTC inicial

#define DEF_HOUR 11 // L’hora predeterminada que s’utilitza en l’ajust inicial de RTC

#define DEF_MIN 8 // El minut per defecte utilitzat en l'ajust inicial de RTC

#define DEF_SEC 0 // El segon per defecte utilitzat en l'ajust RTC inicial

També és important: un cop realitzat l’ajust, no oblideu tornar a comentar la línia i tornar a descarregar el programa a Arduino

// # define RTC_ADJUST true // Si es defineix, l'ajust de RTC es produirà a la configuració

en cas contrari, l'ajust de RTC es produiria amb valors incorrectes cada vegada que es reiniciés el programa (engegar o reiniciar Arduino). Això va passar durant les meves proves !! (Em vaig oblidar de tornar a comentar aquesta línia i no vaig entendre què passava …).

Ara fem una ullada a la pròpia funcionalitat del rellotge.

Bàsicament, hi ha dos modes de visualització:

1. El mode RELLOTGE (veure imatge 9)

   1. el led de l'hora corresponent a l'hora actual està ACTIVAT
   2. el led de minuts corresponent al múltiple actual de 5 minuts està activat (aquest led roman activat durant 5 minuts)
   3. cada minut led, diferent del que està activat, parpelleja durant 5 segons (el led es deriva del valor "segon" llegit del RTC)

El mode ALEATORI (veure imatge # 10)

tots els leds s'encenen i s'apaguen aleatòriament, excepte els actuals "hora" i "minut"

El temps durant el qual s’activa un minut de led dura 5 minuts, però durant aquest temps el minut "real" avança. Per exemple, quan el minut actual esdevé 15, el led "oriental" s'encendrà durant 5 minuts, però el minut real serà 15, 16, 17, 18 i 19 durant aquests 5 minuts (l'anomenarem "5 minuts" cicle ")

El programa fa tres coses:

1. Calcula la diferència entre el minut "real" i el que es mostra, donant 5 valors: 0, 1, 2, 3 i 4
2. Calcula quant de temps ha de durar el mode aleatori multiplicant el nombre trobat just per sobre per 6 segons, donant lloc a 5 valors: 0, 6, 12, 18 i 24 (segons) per al mode aleatori i la diferència entre aquests valors i 30 per el mode de rellotge (30, 24, 18, 12 i 6 segons)
3. Repeteix aquesta distribució entre modes dues vegades a cada minut (el total dels dos modes sempre és de 30 segons)

Aquest "cicle de 5 minuts" s'aplica una i altra vegada cada vegada que s'encén el següent "led minut" (que passa cada 5 minuts).

Observació: es pot obtenir el minut real simplement comptant quant dura el mode aleatori i es divideix aquesta durada per 6; per exemple, si compteu 18 segons per al mode aleatori i els "25" minuts estan activats, això significa que el minut real és 28 (18/6 = 3 i 25 + 3 = 28)

En aquest vídeo es pot veure primer el mode de rellotge (l’hora actual oscil·la entre les 10h25 i les 10h29), després el mode aleatori (que dura 6 segons, és a dir, que els minuts actuals són 26) i, de nou, el mode de rellotge. Tingueu en compte que el palet aquí es col·loca a terra i que l'ampolla "mitjanit" es troba a la dreta. Des d’aquesta primera exposició, el rellotge es presenta ara verticalment sobre un suport de trípode (imatge # 11)

Tingueu en compte també que els modes actuals (10h) i minut (25m) no estan afectats pel mode aleatori.

Notes sobre diagrames de PCB

Primer PCB (natiu 74HC595: imatge # 4):

• U1 i U2 són IC 74HC595
• El disseny del pin es pot trobar a la imatge # 6 (vegeu també el pin utilitzat a Arduino a la declaració de variables del programa)

Segon PCB (taulers de ruptura Sparkfun 74HC595: imatge # 5)

El disseny del pin es pot trobar a la imatge # 7

He utilitzat capçaleres de pins masculins soldades a les dues plaques d'interfície, de manera que tots els connectors de cables són femenins.

Pas 7: arreglar les ampolles del palet i connectar els leds

Per cada ampolla al seu torn:

• Col·loqueu el coll al palet (col·loqueu l'ampolla al seu lloc, marqueu-lo i traieu-lo)
• Cargoleu un collaret de fixació amb el cargol al centre i al centre del coll (marcat al palet). He utilitzat cargols de guix de perforació automàtica. Podeu practicar un forat pilot al coll si ho trobeu més fàcil.
• Introduïu la clavilla de l'ampolla al forat del palet
• Tanqueu el coll al voltant del coll de l'ampolla, ara l'ampolla s'ha de fixar al palet

Això és! (no oblideu treure les cordes i les etiquetes de les ampolles al final).

Per a cada led:

Connecteu les dues potes portades als cables + i GND. El + prové del pin de sortida adequat a la placa d'interfície i el GND d'una de les "taules de distribució GND" intermèdies; aquestes taules són simplement taules de prova (+/- 2cm x 5cm) amb bandes lineals sobre les quals es solden capçaleres de pins masculins amb tots els seus pins soldats a la mateixa banda, un pin està connectat a un pin GND d'interfície disponible; si us queden pocs pins GND, simplement connecteu la banda a una segona i connecteu-les juntes. Recomano aïllar les connexions de led soldades amb una mànega termorretractable (blau per a GND i vermell per a led-signal, "+")

Arregleu totes les taules del palet, a sota, i connecteu-les juntes amb cables acabats en connectors femella (Arduino a plaques d’interfície, 6 senyals + GND, fonts d’alimentació a Arduino i plaques d’interfície i RTC, RTC a Arduino, plaques d’interfície a 24 leds (12 en una placa d’interfície). No oblideu connectar el GND a totes les taules.

Fixeu les fonts d’alimentació en un tauler de fusta vertical, connecteu el cable de CA a la primera i la cadena de margarida a la segona (vés amb compte, connecteu el cable de CA només un cop hàgiu acabat les connexions!).

El vídeo següent mostra els tres primers minuts d’un cicle de 5 minuts. L’hora actual és de gairebé 4h55 i el vídeo comença just abans que el led de "50min" canviï al de "55min" (primer els darrers segons del mode aleatori de 24 segons, el mode de rellotge de 6 segons i després el canvi al led de 55 minuts). Durant el primer minut (16h55), només es visualitza el mode de rellotge (60 segons), durant el segon minut (16h56), cada pas de 30 segons comença amb el mode aleatori de 6 segons i després el mode de rellotge de 24 segons, durant el tercer minut (16h57), 12 segons aleatoris i 18 segons (dues vegades)

Pas 8: observacions, extensions i millores

Observacions:

• Quan s'inicia el programa, s'espera fins al següent "minut complet" (és a dir, segons RTC = 0) abans que s'iniciï la visualització del led

• Alguns paràmetres del programa ho permeten

  • Seleccioneu una orientació diferent per al led "mitjanit"
  • Distribuïu els dos modes en un minut complet en lloc de dos segons 30 segons
• El suport de palets i les ampolles de sidra no són absolutament necessaris, podeu inventar altres tipus de suports d’exhibició, com ara una caixa de sucre, com es mostra a la imatge

Extensions:

• He adaptat el programa i he fet una versió "basada en la taula" que permet la subdivisió de modes de rellotge / aleatori basats en una taula de temps en lloc d'una regla predefinida
• Una taula "dependent del calendari" (data, hora d'inici, hora d'aturada) permet controlar l'hora d'inici i d'aturada del rellotge, de manera que es pot deixar encesa quan l'exposició es tanca al vespre (automàticament atura la pantalla i comença al matí sense cap acció manual)
• El programa té una versió on la visualització s’activa mitjançant una detecció de presència de visitants i s’atura cinc minuts després de l’absència de visitants.

Millores:

• RTC: una versió més estable podria substituir la 1307 utilitzada fins ara
• Es podria afegir un ajust manual de RTC (per exemple, afegint dos codificadors rotatius, com https://wiki.dfrobot.com/Rotary_Switch_Module_V1_… i un polsador per confirmar la nova configuració d’hora i minut).