Lek med handväggklocka: 14 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:39

Elektronisk handväggklocka (kommersiell märkningskvarts) är numera inget speciellt. Det går att köpa i många butiker. I några av dem är de extremt billiga; med pris ca € 2 (50CZK). Det låga priset kan vara motivationen att titta närmare på dem. Sedan insåg jag att de kan vara intressanta leksaker för nybörjare inom elektronik, som inte har så många resurser och som främst är intresserade av programmering. Men skulle vilja presentera egen utveckling för andra. Eftersom billig väggklocka är mycket tolerant mot experiment och nybörjarprov, bestämde jag mig för att skriva den här artikeln, där jag skulle vilja presentera grundläggande idéer.

Steg 1: Arbetsprincip

Det är lätt att känna igen den klockan som använder någon form av stegmotor för rörelse. Den som redan bryter isär några klockor insåg att det bara är en spole istället för två i vanlig stegmotor. I det här fallet talar vi om "enfas" eller "enpolig" stegmotor. (Detta namn används inte så ofta, det är mestadels analog avledning för märkning som används för andra stegmotorer med full stack). Den som redan börjar tänka på arbetsprincipen måste ställa frågan hur det är möjligt att motorn alltid roterar åt rätt håll. För arbetsprincip beskrivning är användbar följande bild, som visar äldre typer av motorer.

På den första bilden syns en spole med terminalerna A och B, grå stator och rödblå rotor. Rotorn är tillverkad av permanentmagnet, det är anledningen till att den är färgmärkt, för att vara synlig, i vilken riktning som magnetiseras (det är inte så avgörande, vilken pol är norr och vad är söder). På statorn kan du se två "spår" nära rotorn. De är mycket avgörande för arbetsprincipen. Motorn fungerar i fyra steg. Vi kommer att beskriva varje steg med fyra bilder.

Under det första steget (andra bilden) är motorenergi, att terminal A är ansluten till pluspolen och terminal B är ansluten till negativ pol. Det gör magnetflöde, till exempel i pilens riktning. Rotorn stannar i läge, att dess position motsvarar magnetflöde.

Andra steget följer efter att strömmen kopplats bort. Sedan stoppas magnetflödet i statorn, och magneten har en tendens att rotera till position, dess polarisering är i riktning mot maximal volym magnetiskt mjukt material av stator. Och här är avgörande de två spåren. De pekar på liten avvikelse för maximal volym. Sedan roterar rotorn lite medsols. Som visas på bild 3.

Nästa steg (fjärde bilden) är med spänningsansluten omvänd polaritet (terminal A till negativ pol, terminal B till positiv pol). Det betyder att magneten i rotorn kommer att rotera i magnetfältets riktning med spole. Rotorn använder kortaste riktningen, det vill säga igen medurs.

Sista (fjärde) steget (femte bilden) är samma som andra. Motorn är spänningsfri igen. Endast en skillnad är att magnetens utgångsläge är motsatt, men rotorn kommer igen att flytta till riktningen för maximal materialvolym. Det är igen position medurs lite.

Det är hela cykeln, första steget följer igen. För motorrörelse är steg två och fyra förstås som stabila. Sedan överförs den mekaniskt till växellådans överföringshastighet 1:30 till positionen för den andra klockan.

Steg 2: Arbetsprincip Forts

Figurer visar spänningsvågform på motorterminaler. Tal betyder alla sekunder. I verkligheten är pulser mycket mindre jämfört med mellanslag. De handlar om millisekunder.

Steg 3: Praktisk demontering 1

Jag använde en av de billigaste väggklockorna på marknaden för praktisk demontering. De har få fördelar. Det ena är att det priset är så lågt att vi kan köpa några av dem för experiment. Eftersom tillverkningen är starkt prisinriktad innehåller den inga komplicerade smarta lösningar och inga komplicerade skruvar. I verkligheten innehåller de inga skruvar, bara plastklicklås. Vi behöver bara minsta verktyg. Till exempel behöver vi bara skruvmejsel för att rycka ut dessa lås.

För demontering av väggklocka behöver vi en platt skruvmejsel (eller någon annan stickpinne), klädnypa och arbetsmatta med upphöjda kanter (det är inte obligatoriskt, men gör det lättare att leta efter hjul och andra små delar).

Steg 4: Praktisk demontering 2

På baksidan av väggklockan finns tre spärrar. Två övre i position nummer 2 och 10 kan låsas upp och täckglas kan öppnas När glaset är öppet är det möjligt att dra ur klockhänderna. Det är inte nödvändigt att markera positionen för dem. Vi återställer dem alltid till position 12:00:00 När klockan är avstängd kan vi avmontera klockrörelsen. Den har två spärrar (vid position 6 och 12). Det rekommenderas att dra ut rörelsen så rak som möjligt, annars kan rörelse fastna.

Steg 5: Praktisk demontering 3

Då är det möjligt att öppna rörelse. Den har tre spärrar. två på positionerna 3 och 9 timmar och sedan tredje på 6 timmar. När det öppnas är det tillräckligt att ta bort det transparenta kugghjulet mellan motor och växellåda och sedan drev, som är anslutet till motorns rotor.

Steg 6: Praktisk demontering 4

Motorspole och stator håller endast en spärr (vid 12 timmar). Det håller inte på några kraftskenor, det gäller bara för kraftskenor genom att trycka på, då är borttagning inte komplicerat. Spolen är gängad på statorn utan någon hållare. Det kan enkelt ta av.

Steg 7: Praktisk demontering 5

På undersidan av spolen är limmat litet kretskort, som innehåller en COB (chip on board) med sex utgångar. Två är för kraft och de avslutas på större fyrkantiga dynor ombord för att applicera kraftskenor. två utgångar är anslutna till kristall. Förresten, kristallen är 32768Hz och kan avlödas för framtida bruk. De två sista utgångarna är anslutna till spolen. Jag fann det som säkrare att klippa av spår ombord och lödtrådar till befintliga kuddar ombord. När jag försökte avlasta spolen och ansluta kabeln direkt till spolen, riv jag alltid av spoltråden eller skadade spolen. Lödning av nya ledningar till ombord är en av möjligheterna. Låt oss säga att det är mer primitivt. Mer kreativ metod är att ansluta spole till strömkuddar och behålla drivskenor för anslutning till batterilåda. Då kan elektronik sättas in i batterilådan.

Steg 8: Praktisk demontering 6

Lödningskvaliteten kan kontrolleras med ohmmeter. Spole har resistivitet på cirka 200Ω. När allt är OK monterar vi väggklockan tillbaka. Jag brukar slänga ut strömskenor, då har jag mer plats för mina nya ledningar. Bilder tas innan strömskenor kastas. Jag glömmer att ta nästa foto när de tas bort.

När jag är klar med att slutföra rörelsen testar jag den med hjälp av sekundvisaren. Jag lägger handen på axeln och ansluter lite ström (jag använde CR2032 -myntbatteri, men AA 1, 5V kan också användas). Anslut bara strömmen i en polaritet till ledningar och sedan igen med motsatt polaritet. Klockan måste ticka och handen ska röra sig med en sekund. När du har problem med att slutföra rörelsen tillbaka, eftersom ledningar tar mer plats, helt enkelt rotera spole myr sätta den motsatta sidan. När det inte används strömskenor har det ingen effekt att klocka rörelse. Som det redan nämnts, när du lägger händerna tillbaka, måste du lägga dem på att peka på 12:00:00. Det ska ha rätt avstånd mellan timme och minutvisare.

Steg 9: Exempel på användning av väggur

Majoriteten av enkla exempel fokuserar på att visa tid, men med olika modifieringar. Mycket populär är modifiering kallas "Vetinari Clock". Pekar på boken Terry Pratchett, där herr Vetinari har väggklocka i sitt väntrum, den där tickande oregelbunden. Den oegentligheten oroar väntande människor. Andra populära applikationen är "sinusklocka". Det betyder klocka, som accelererar och saktar ner baserat på sinuskurvan, då människor känner, de seglar på vågor. en av mina favoriter är "lunch tid". Den ändringen innebär att klockan går lite snabbare i tiden mellan 11 och 12 timmar (0,8 sek), för att äta lunch tidigare; och lite långsammare under lunchtiden mellan 12 till 13 timmar (1, 2 sek), för att ha lite mer tid för lunch och att kompensera för förlorad tid.

För majoriteten av dessa ändringar är det tillräckligt för att använda den enklaste processorn, med arbetsfrekvens 32768Hz. Denna frekvens är mycket populär bland klockmakare, eftersom det är lätt att göra kristaller med denna frekvens, och det kan inte vara lätt att dela upp binära till fullständiga sekunder. Det har två fördelar med att använda denna frekvens för processor: vi kan enkelt återcykla kristall från klockan; och processorer har vanligtvis minimal förbrukning på denna frekvens. Konsumtion är något vi löser så ofta när vi spelar med väggklocka. Speciellt för att kunna strömma från det minsta batteriet, så länge som möjligt. Som det redan nämnts har spolen resistivitet 200Ω och är konstruerad för cca 1, 5V (ett AA -batteri). Billigaste processorer arbetar vanligtvis med lite större spänning, men med två batterier (3V) som fungerar alla. En av de billigaste processorerna på vår marknad är Microchip PIC12F629, eller mycket populära Arduino -moduler. Sedan kommer vi att visa hur du använder båda plattformarna.

Steg 10: Exempel på användning av väggklocka PIC

Processorn PIC12F629 har driftspänning 2,0V - 5,5V. Användning av två "mignonbatterier" = AA -celler (cca 3V) eller två AA -laddningsbara AA -ackumulatorer (cca 2, 4V) är tillräcklig. Men för klockspole är det dubbelt mer än designat. Det orsakar åtminstone oönskad konsumtionsökning. Då är det bra att lägga till minst seriemotstånd, vilket skapar en lämplig spänningsdelare. Motståndsvärdet måste vara cirka 120Ω för ackumulatoreffekt eller 200Ω för batterikraft beräknat för ren resistiv belastning. I praktiken kan värdet vara lite mindre om 100Ω. I teorin räcker det med ett motstånd i serie med spole. Jag har fortfarande en tendens, av någon anledning, att se motorn som symmetrisk enhet och sedan sätta motstånd med halvmotstånd (47Ω eller 51Ω) bredvid varje spolterminal. Vissa konstruktioner lägger till skyddsdioder för att undvika negativ spänning till processorn när spolen kopplas bort. Å andra sidan räcker det med processorns utgångar för att ansluta spolen direkt till processorn utan någon förstärkare. Komplett schema för processor PIC12F629 kommer att se ut som beskrivet på figur 15. Denna schema är giltig för klockor utan ytterligare kontrollelement. Vi har fortfarande en in-/utgångsstift GP0 och en enda ingång endast GP3.

Steg 11: Exempel på användning av väggklocka Arduino

När vi väl vill använda Arduino kan vi titta på databladet för processorn ATmega328. Den processorn har arbetsspänning definierad som 1,8V - 5,5V för frekvens upp till 4MHz och 2,7V - 5, 5V för frekvens upp till 10MHz. Vi måste vara försiktiga med en brist på Arduino -brädor. Den bristen är närvaron av spänningsregulator ombord. Stor mängd spänningsregulatorer har problem med omvänd spänning. Detta problem beskrivs i stor utsträckning och bäst för regulator 7805. För våra behov måste vi använda kort märkt som 3V3 (utformat för att driva 3,3V), särskilt eftersom det här kortet innehåller kristall 8MHz och kan drivas från 2, 7V (det betyder två AA batterier). Då används stabilisator inte 7805 men dess 3,3V -ekvivalent. När vi väl skulle vilja driva kortet utan att använda stabilisator har vi två alternativ. Första alternativet är att ansluta spänningen till stiften "RAW" (eller "Vin") och +3V3 (eller Vcc) tillsammans och tro att stabilisator som används på ditt kort inte har något underspänningsskydd. Det andra alternativet är helt enkelt att eliminera stabilisator. För detta är bra att använda Arduino Pro Mini, enligt referensschema. Den schematiska innehåller bygel SJ1 (på figur 16 i röd cirkel) utformad för att koppla bort intern stabilisator. Tyvärr innehåller de flesta kloner inte denna bygel.

En annan fördel med Arduino Pro Mini är att den inte innehåller några ytterligare omvandlare som kan förbruka elektricitet under normal körning (det är liten komplikation under programmeringen). Arduino -kort är utrustade med fler och mer bekväma processorer som inte har tillräckligt med ström för enstaka utgångar. Då är det bra att lägga till minst en liten utgångsförstärkare med hjälp av par transistorer. Grundschemat för batteriström ser ut som på bilden.

Eftersom Arduino -miljön ("Wiring" -språket) har attribut för moderna operativsystem (då har problem med korrekt timing), är det bra att tänka på användningen av extern klockkälla för Timer0 eller Timer1. Det betyder ingångar T0 och T1, de är markerade som 4 (T0) och 4 (T1). Enkel oscillator med kristall från väggklocka kan anslutas till någon av dessa ingångar. Det beror på hur exakt klocka du vill producera. Figur 18 visar tre grundläggande möjligheter. Första schemat är mycket ekonomiskt i betydelsen av använda komponenter. Det ger mer mindre triangulär utgång, men i fullt spänningsområde, då är det bra för att driva CMOS -ingångar. Andra schemat med inverterare, de kan vara CMOS 4096 eller TTL 74HC04. Schematik är mer lika varandra, de är i grundform. Tredje schemat med chip CMOS 4060, som möjliggör direkt anslutning av kristall (motsvarande 74HC4060 med samma schematiska men olika värden på motstånd). Fördelen med denna krets är att den innehåller 14 bitars divider, då är det möjligt att bestämma vilken frekvens som används som timeringång.

Utgången från denna krets kan användas för ingång T0 (stift 4 med Arduino -märkning) och sedan använda timer 0 med extern ingång. Det är inte så praktiskt, eftersom Timer0 används för funktioner som fördröjning (), milis () eller mikros (). Det andra alternativet är att ansluta den till ingång T1 (stift 5 med Arduino -märkning) och använda Timer1 med extra ingång. Nästa alternativ är att ansluta den till att avbryta ingång INT0 (stift 2 i Arduino -märkning) eller INT1 (stift 3) och använda funktionen attachInterrupt () och registerfunktionen, som kallas periodiskt. Här är användbar divider som erbjuds av chips 4060, då får samtal inte vara så ofta.

Steg 12: Snabbklocka för modelljärnvägshårdvaror

Av intresse kommer jag att presentera en användbar schema. Jag måste ansluta fler väggklockor till vanlig kontroll. Väggklockor är långt borta från varandra och på toppen av det är miljökarakteristiken mer industriell med större elektromagnetiskt brus. Sedan återvände jag till gamla bussystem med större spänning för kommunikation. Naturligtvis löste jag inte arbetet med batteri, men jag använde stabiliserad strömförsörjning 12V. Jag förstärkte signalen från processorn med hjälp av drivrutinen TC4427 (den har bra tillgänglighet och bra pris). Sedan bär jag signal 12V med möjlig belastning upp till 0,5A. Jag lade till enkla motståndsavdelare till slavklockor (på figur 18 markerade som R101 och R102; Återigen förstår jag motorn som symmetrisk, det är inte nödvändigt). Jag skulle vilja öka brusreduceringen genom att bära mer ström, sedan använde jag två motstånd 100Ω. För att begränsa spänningen på motorspolen är brygglikriktaren B101 ansluten parallellt med spolen. Bron har kortsluten likströmssida, då representerar den två par anti-parallella dioder. Två dioder betyder att spänningen faller ut cirka 1,4V, det är mycket nära normal arbetsspänning för motorn. Vi behöver antiparallell eftersom kraften växlar i en och motsatt polaritet. Total ström som används av en slavväggklocka är då (12V - 1,5V) / (100Ω + 100Ω) = 53mA. Det är acceptabelt för att undvika buller.

Här är två omkopplare på scheman, de är för att styra ytterligare funktioner hos väggklockan (hastighetsmultiplikator vid modelljärnvägsspår). Dotterklocka har ytterligare en intressant funktion. De är anslutna med två 4 mm banankontakter. De håller väggklockan på väggen. Det är användbart, särskilt när du vill ställa in en viss tid innan du börjar använda, du kan helt enkelt koppla bort dem och sedan ansluta igen (träblock är fixerat på väggen). Om du vill skapa "Big Ben" behöver du trälåda med fyra par uttag. Den lådan kan användas som förvaring för klockor när de inte används.

Steg 13: Programvara

Från programvarans synvinkel är situationen relativt enkel. Låt oss beskriva realisering på chip PIC12F629 med kristall 32768Hz (återvunnet från original klocka). Processorn har en instruktionscykel fyra oscillatorcykler långa. När vi väl kommer att använda intern klocka för någon timer, betyder det instruktionscykler (kallas fosc/4). Vi har till exempel Timer0. Timerinmatningsfrekvensen kommer att vara 32768 /4 = 8192Hz. Timern är åtta bitars (256 steg) och vi håller den överflödig utan några hinder. Vi kommer bara att fokusera på timeröverflödeshändelse. Händelsen kommer att inträffa med frekvensen 8192 /256 = 32Hz. När vi sedan skulle vilja ha pulser en sekund måste vi skapa puls var 32: e överflöd av Timer0. En vi skulle vilja att klockan skulle gå till exempel fyra gånger snabbare, då behöver vi 32/4 = 8 överflöd för puls. För fall vi är intresserade av att designa klocka med oregelbundna men exakta, måste vi ha summan av överflöden för några pulser samma som 32 × antal pulser. Då kan vi hitta i oregelbundna klockmatriser så här: [20, 40, 30, 38]. Då är summan 128, det är samma som 32 × 4. Till exempel sinusklocka [37, 42, 47, 51, 55, 58, 60, 61, 62, 61, 60, 58, 55, 51, 47, 42, 37, 32, 27, 22, 17, 13, 9, 6, 4, 3, 2, 3, 4, 6, 9, 13, 17, 22, 27, 32] = 1152 = 36*32). För vår klocka kommer vi att använda två fria ingångar som definition av divider för snabb körning. Tabelldelare för hastigheter lagras i EEPROM -minne. Huvuddelen av programmet kan se ut så här:

MainLoop:

btfss INTCON, T0IF gå till MainLoop; vänta på Timer0 bcf INTCON, T0IF incf CLKCNT, f btfss SW_STOP; om STOP -omkopplaren är aktiv, clrf CLKCNT; rensa räknaren varje gång btfsc SW_FAST; om du inte trycker på snabbknappen går du till NormalTime; beräkna endast normal tid movf FCLK, w xorwf CLKCNT, w btfsc STATUS, Z; om FCLK och CLKCNT är samma gå till SendPulse NormalTime: movf CLKCNT, w andlw 0xE0; bitarna 7, 6, 5 btfsc STATUS, Z; om CLKCNT> = 32 gå till MainLoop gå till SendPulse

Program med funktionen SendPulse, den funktionen skapar själva motorpulsen. Funktionsräkning udda/jämn puls och baserat på den skapar puls på en eller andra utgång. Funktion med konstant ENERGISE_TIME. Den konstanta definiera tiden under detta är motor coil energi. Således har det stor påverkan på konsumtionen. När den väl är så liten kan motorn inte avsluta steget och ibland händer det att den andra går vilse (vanligtvis när sekundvisaren går runt nummer 9, när den går "uppåt").

SendPulse:

incf POLARITY, f clrf CLKCNT btfss POLARITY, 0 gå till SendPulseB SendPulseA: bsf OUT_A gå till SendPulseE SendPulseB: bsf OUT_B; gå till SendPulseE SendPulseE: movlw 0x50 movwf ECNT SendPulseLoop, GUT ECCT Send PulseLoop

Fullständiga källkoder kan laddas ner i slutet av sidan www.fucik.name. Situationen med Arduino är lite komplicerad, eftersom Arduino använder högre programmeringsspråk och använder eget kristall 8MHz måste vi vara försiktiga med vilka funktioner vi använder. Användning av klassisk fördröjning () är lite riskfylld (den beräknar tid från funktionsstart). Bättre resultat kommer att använda bibliotek som Timer1. Många Arduino -projekt räknar med externa RTC -enheter som PCF8563, DS1302, etc.

Steg 14: Nyfikenheter

Detta system för väggklockmotoranvändning är förstås som mycket grundläggande. Det finns många förbättringar. Till exempel baserat på mätning av Back EMF (elektrisk energi producerad genom rörelse av rotormagnet). Då kan elektroniken känna igen, när handen är på väg och om inte, upprepa sedan pulsen snabbt eller uppdatera värdet "ENERGISE_TIME". mer användbar nyfikenhet är "omvänd steg". Baserat på beskrivning ser det ut som att motorn endast är konstruerad för en rotationsriktning och den kan inte ändras. Men som visas på bifogade videor är riktningsändring möjlig. Principen är enkel. Låt oss gå tillbaka till motorprincipen. Tänk dig att motorn är i stabilt tillstånd i andra steget (figur 3). När vi väl kommer att ansluta spänning enligt det första steget (figur 2), kommer motorn logiskt att starta rotationen i omvänd riktning. När pulsen väl är tillräckligt kort och kommer att hamna något innan motorn höjer stabilt tillstånd kommer den logiskt att flimra lite över. En gång i tiden för den flimmern kommer nästa spänningspuls som beskrivs i tredje tillståndet (figur 4), då fortsätter motorn med riktningen när den startade, det betyder i omvänd riktning. Ett litet problem är hur man bestämmer varaktigheten av den första pulsen och en gång för att skapa ett avstånd mellan första och andra pulsen. Och det värsta är att dessa konstanter varierar för varje klockrörelse och någon gång varierar för fall, att händerna går "ner" (runt nummer 3) eller upp (runt nummer 9) och också i neutrallägen (runt nummer 12 och 6). För fall som presenteras på video använde jag värden och algoritm enligt följande kod:

#define OUT_A_SET 0x02; config för out a set out b clear

#define OUT_B_SET 0x04; config for out b ställ ut en klar #define ENERGISE_TIME 0x30 #define REVERT_TIME 0x06 SendPulse: incf POLARITY, f clrf CLKCNT btfss POLARITY, 0 gå till SendPulseB SendPulseA: movlw REVERT_TIME movwf ECNT movwf ECNT movwf ECNT movwf börja med puls B movwf GPIO RevPulseLoopA:; kort tid vänta decfsz ECNT, för att gå till RevPulseLoopA movlw OUT_A_SET; sedan puls A movwf GPIO gå till SendPulseE SendPulseB: movlw REVERT_TIME movwf ECNT movlw OUT_A_SET; börja med puls A movwf GPIO RevPulseLoopB:; kort tid vänta decfsz ECNT, för att gå till RevPulseLoopB movlw OUT_B_SET; sedan puls B movwf GPIO; gå till SendPulseE SendPulseE: movlw ENERGISE_TIME movwf ECNT SendPulseLoop: decfsz ECNT, f gå till SendPulseLoop bcf OUT_A bcf OUT_B gå till MainLoop

Användning av omvända steg ökar möjligheten att spela med väggklocka. Vi kan ibland hitta väggklockor som har en smidig förflyttning av andra handen. Vi har ingen skrämma för den klockan, de använder ett enkelt trick. Motorn i sig är densamma som motorn som beskrivs här, bara växelförhållandet är större (vanligtvis 8: 1 mer) och motorn snurrar snabbare (vanligtvis 8x snabbare) vilket gör att smidiga rörelser påverkas. När du bestämmer dig för att ändra väggklockan, glöm inte att beräkna den begärda multiplikatorn.