CLEPCIDRE: een digitale klok met ciderflessen - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

Voordat ik in de objectbeschrijving duik, moet ik de context uitleggen waarin het is ontworpen en gebouwd. Mijn vrouw is kunstenares en werkt voornamelijk met klei, als keramist, maar ook met andere materialen zoals hout, leisteen of glas. In de meeste van haar kunstwerken probeert ze de sporen te laten zien die door de tijd zijn achtergelaten op objecten en ze verwerkt vaak materialen die in de natuur worden gevonden, zoals stukken hout op het strand, om "gebruikte items een tweede leven te geven". Haar zus en zwager maakten vroeger hun eigen cider (in Normandië) en hebben nog steeds honderden ciderflessen slapend onder een dikke laag stof in hun oude pers. Dat was meer dan genoeg om het volgende creatie-idee van mijn vrouw op gang te brengen: "een klok met ciderflessen". De link met de tijd is evident: die flessen hebben een roemrijk verleden gehad en moeten nu getuige zijn van het verstrijken van de tijd en samen een klok vormen. Dus een jaar geleden vroeg ze me: "Lieverd, kun je voor mij een klok maken met lampen onder 12 ciderflessen? Ik ga de flessen zelf in mijn oven plat maken en jij zorgt voor de rest: de houten steun, -een pallet-, de lampen en alle elektronische circuits! Ik wil de tijd weergeven, maar niet altijd, de leds moeten ook willekeurig knipperen, is het mogelijk? Je moet ook de oplossing vinden om de flessen op de pallet te bevestigen". Binnen een maand moet de klok klaar zijn…

De "bijnaam" van dit kunstwerk is "CLEPCIDRE" wat staat (in het Frans) voor "Circuit Lumineux Electronique Programmé sous bouteilles de CIDRE", het is een knipoog naar de naam "CLEPSYDRE" die een waterklok aanduidt die is uitgevonden door de Egyptenaren. Mijn vrouw noemt het "Les Bouteilles de Ma Soeur" (de flessen van mijn zus).

Foto #1: De voorraad ciderflessen van mijn schoonzus

Afbeelding #2: Het originele specificatiedocument

Foto #3 t/m #6: weergaven van de klok

CLEPCIDRE was vorig jaar te zien tijdens twee tentoonstellingen, de eerste in de "Greniers à Sel" in Honfleur (Calvados, Normandië, Frankrijk) in april 2019 (foto #6) en de tweede in Touques (Calvados, Normandië, Frankrijk) in juni 2019.

Benodigdheden

• Twaalf flessen cider (u kunt andere soorten flessen proberen: champagne, mousserende wijn, … maar zonder garantie)
• Een keramische oven (we gebruikten een cilindrische oven van 5 kVA met bovenlader)
• Een pallet (rand-tot-rand planken, afmetingen: +/- 107cmx77cmx16cm)
• Enkele houten planken (om de palletzijden af te sluiten)
• 24 krachtige witte leds met een diameter van 10 mm (bijv.
• Een Arduino-bord: Uno of Leonardo OK, kleiner bord kan OK zijn, Mega is een beetje overkill
• Twee voedingen (5V voor Leds en 12V voor Arduino en RTC-kaarten, hoewel 5V voor Arduino OK zou moeten zijn, maar niet getest)
• Een RTC-bord (ik heb een Adafruit DS1307 gebruikt, maar ik zou een nauwkeuriger temperatuurgecompenseerde RTC aanbevelen op basis van DS3231; de DS1307 verschuift elke dag 2 - 3 seconden en moet regelmatig opnieuw worden afgesteld)
• 4 schuifregisters 74HC595, hetzij als afzonderlijke items (16-pins DIL CMOS IC) of reeds op het bord gemonteerd (bijv. SparkFun Shift Register Breakout - 74HC595 ref BOB-10680)
• Epoxy-testborden (50*100 mm, gaten in groep van 3 en borden voor algemeen gebruik met lineaire koperen banden)
• Diamantboor (6 of 8 mm) en houten deuvels (6 of 8 mm)
• 24 1/4 W weerstanden (220 Ω)
• Bevestigingsring voor mechanische flessenstop (te vinden in bouwmarkt of internet)
• Lijm, Draden, krimpkous, gereedschap,.., schroeven,.., soldeerbout (18W OK)

Stap 1: Het eenvoudigste: de zijkanten van de pallet sluiten

Probeer een houten pallet te vinden (ik vond er een van ongeveer 107 cm * 77 cm). Er mag geen opening zijn tussen de houten planken.

Bevestig 4 houten planken met schroeven, één aan elke kant. Snijd de 4 planken van pils om de juiste afmetingen te krijgen.

Aangezien er mogelijk (en waarschijnlijk zullen) voetplaten zijn, raad ik aan om ze te zagen zoals op de afbeelding wordt getoond, dit zal de toegang tot de onderste planken vrijmaken en het boren van gaten voor de leds mogelijk maken.

Later, wanneer de posities van de leds zijn gemarkeerd, zal het nodig zijn om in twee fasen te boren, eerst het gat met de diameter van de led (9 - 10 mm) en vervolgens het grotere gat (zeg 2 cm) om de dikte te verkrijgen overeenkomend met de hoogte van de led (de dikte van de houten plank is waarschijnlijk groter dan de hoogte van de led)

Foto 1: De pallet van onderaf gezien met de led-gaten al geboord

Stap 2: Maak de ciderflessen plat

Onze ovencapaciteit maakt het mogelijk om 6 flessen tegelijk op 3 niveaus te verwarmen. Let er bij het plaatsen van de flessen op dat de flessen niet met elkaar in contact komen, noch met de ovenwanden noch met de kolommen.

Je kunt creatief zijn en bijvoorbeeld glaskralen of schelpen of steentjes in de flesjes doen. U kunt ook een terracotta steun onder de flessen plaatsen, deze laatste zal tijdens het opwarmen de vorm van de steun aannemen.

Het belangrijkste in dit proces is om de flessen heel langzaam af te laten koelen en de oven niet te vroeg te openen, zelfs als je denkt dat de oventemperatuur gelijk is aan die van de kamer, moet je weten dat de glastemperatuur hoger blijft dan de een bepaalde tijd in de oven, en elke temperatuurschok, zelfs een kleine, kan glasbreuk veroorzaken. We hebben flessen gehad die een of twee dagen na de verwarming kapot gingen en ik raad aan om rekening te houden met +/- 30% van het verlies (voorzie 16 tot 18 flessen om er uiteindelijk 12 te krijgen, om nog maar te zwijgen over degenen die u niet tevreden zult stellen van).

Het hier weergegeven temperatuurprofiel dient als voorbeeld en geeft alleen de kenmerken van onze oven weer. U dient enkele tests uit te voeren met uw eigen apparatuur om de meest geschikte eindtemperatuur te vinden. Als je te veel verwarmt, krijg je volledig platte flessen, terwijl als je te weinig verwarmt de flessen niet plat genoeg worden.

Foto 1: De oven, algemeen beeld

Foto 2: Twee flessen platgedrukt (ik heb op dit moment geen foto van de flessen in de oven voor de verwarming)

Afbeelding 3: Typisch temperatuurprofiel

Stap 3: Lokaliseer de posities van de flessen en leds

In het ontwerp van de klok, zal ik later uitleggen, zijn er twee leds onder elke fles, de "externe" tonen de uren (0 tot 11 en 12 tot 23) en de interne tonen de minuten per stap van 5 (0, 5, … 55). Eerst moet u de flessen rond de pallet plaatsen. Daarvoor moet je eerst touwtjes spannen tussen een centrale punaise en 12 punaises rond de pallet, zo mogelijk "diametraal tegenover elkaar". 4 posities zijn duidelijk en gemakkelijk te vinden: 0, 3, 6 en 9 uur (de snaren komen in het midden van elke kant, twee aan twee). De 4 andere lijnen zijn wat lastiger. U moet de snaren zodanig oriënteren dat er voldoende ruimte is voor elke fles (flessen zijn twee aan twee uitgelijnd met hun as die overeenkomt met de string) en de fles die de indruk wekt dat deze gelijkmatig is verdeeld. Deze stap vereist een beetje vallen en opstaan. Houd er ook rekening mee dat omdat ze niet allemaal hetzelfde zijn, je moet kiezen waar elke fles naartoe moet (dit is een kwestie van "artistiek gevoel"). Als de plaats van elke fles is gekozen, vergeet dan niet om op elke fles een etiket met het nummer te plakken en op de pallet een markering aan te brengen voor het midden onderaan elke fles (zie verder). Die punten en de snaren zullen later worden gebruikt om de gaten van de bevestigingspluggen te lokaliseren.

Vervolgens moeten de twee leds relatief ten opzichte van elke fles worden geplaatst en de posities vervolgens worden overgebracht naar de pallet.

Daarvoor heb ik een doos gebouwd met twee "mobiele" planken (zie afbeelding), de eerste loodrecht op de flesas en de tweede, die op de eerste in het midden is geschroefd, waardoor rotatie mogelijk is, is uitgelijnd op die as. In dit tweede bord heb ik twee gaten geboord (9 of 10 mm diam.) waarvan een in de vorm van een knoopsgat zodat een led langs de asrichting kan worden verplaatst. Ik pas 5V toe op elke led, gekozen uit een Arduino-bord of een andere bron. DOE VOORZICHTIG! Leds met een hoge lichtsterkte kunnen schadelijk zijn als u er rechtstreeks naar kijkt, dus het wordt ten zeerste aanbevolen om een strook doorschijnende plakband boven de leds te plaatsen.

Plaats elke fles op de bovenkant van de doos en verplaats de twee planken en de "mobiele" led totdat u tevreden bent met het effect (onthoud dat u mogelijk glazen kralen in sommige flessen hebt geplaatst en het plaatsen van leds onder dergelijke kralen om het lichteffect te versterken), meet de positie van de leds ten opzichte van het midden van de fles en zijn as en breng deze punten met een potlood over op de pallet. Wanneer alle 24 punten op de pallet zijn gemarkeerd, boort u de geleidegaten (2-3 mm diam).

Opmerking: de laatste foto toont de eerste positionering van de snaar die was gebaseerd op een vaste hoek van 30° ertussen, maar zoals men kan zien, was dit niet compatibel met de ruimte die de flessen nodig hadden; ik moest de snaren op de flessen opnieuw uitlijnen.

Afbeelding 1: Tekening met de leds en hun betekenis:

Afbeelding 2: De speciale doos om de positie van de leds onder elke fles te lokaliseren

Foto 3: Dezelfde doos met een fles

Afbeelding 4: Positionering van de flessen (en touwtjes) op de pallet

Stap 4: Gaten boren voor de leds

Met behulp van de geleidegaten van de vorige stap moet u nu de gaten voor de leds boren, maar aangezien de dikte van de palletplaat waarschijnlijk groter is dan de hoogte van de leds, moet u de dikte verminderen door een groter gat te boren (bijvoorbeeld met een 2 cm houtboor). Boor eerst het grotere gat (diepte moet zodanig zijn dat de "niet-geboorde" dikte overeenkomt met de hoogte van de led) en daarna de gaten van de leds. Pas indien nodig aan zodat de bovenkant van de lamp gelijk ligt met het oppervlak van het hout.

Markeer elk gat met Hx- en Mx-labels (H voor Uren en M voor Minuten, x = 0, 1,..11).

Dit wordt geïllustreerd door de afbeelding.

Stap 5: Gaten boren in flessen voor de bevestigingspluggen

Hoe je gaten in glas boort vind je op deze site:

Zoek de positie van het gat op de as van de fles zodat deze een led niet overlapt, op ongeveer 2-3 cm van het midden onderaan de fles zou OK moeten zijn. Boor een gat (8 mm diameter) aan de onderkant, maar op de helft van de dikte (boor niet door de hele dikte van de fles!). Markeer hetzelfde punt op de bovenzijde van de pallet en boor een gat met dezelfde diameter (door gehele dikte OK). De positie van het gat wordt gemeten op het touwtje vanaf de onderkant van de fles die u had moeten markeren tijdens het positioneren.

Bevestig de pluggen op elke fles in het gat met sterke lijm (dubbele componenten) en laat de lijm drogen.

Zodra de deuvels vast zitten kunt u de flessen op de (horizontale) pallet plaatsen door hun deuvels in de gaten te steken. De flessen moeten kop aan staart worden geplaatst, de eerste (12u) met de hals naar buiten gericht.

Verwijder de flessen (trek voorzichtig hun plug uit het hout).

U kunt nu de leds in hun gaten steken, de te kleine gaten opnieuw afstellen. Voor degenen die te groot zijn, moet u de led blokkeren met een klein stukje hout eronder geschroefd.

Ik merkte dat, zelfs door de flessen heen, het licht van de leds te sterk was en ik schilderde ze lichtgeel.

Foto 1: Het glas boormateriaal (let op: ik heb een rubberen mat onder de fles gebruikt)

Stap 6: Het elektronische deel

Het basis led-commandocircuit wordt getoond op de eerste afbeelding (merk op dat het RTC-bord niet wordt weergegeven in dit diagram, maar het aansluiten op Arduino is eenvoudig en goed gedocumenteerd, in de meeste gevallen wordt een bibliotheek geleverd door de RTC-fabrikant). In de definitieve versie zijn de breadboards vervangen door PCB's.

Ik besloot om de uurinterface te scheiden van de minuteninterface om het programma iets eenvoudiger te maken. Elke interface is gebaseerd op twee 74HC595 schuifregisters die serieel zijn verbonden. Alle uitgangen van het eerste register worden gebruikt (0 tot 7), terwijl voor het tweede register alleen de eerste vier nodig zijn (8 tot 11).

Voor het uiteindelijke systeem heb ik twee afzonderlijke interfaces gemaakt met behulp van testborden van 5 cm x 10 cm (gaten gegroepeerd op 3). Ik heb twee soorten 74HC595 gebruikt, de eerste is native 16-pins DIL IC's die ik op twee 16-pins steunen heb gemonteerd, op het bord gesoldeerd en de tweede is twee kleine borden die ik van Sparkfun heb gekocht, met een 74HC595-oppervlak gemonteerd op elk (foto #7).

Omdat ik haast had, kon ik niet wachten op de fabricage van printplaten, dus heb ik de PCB zelf gemaakt met testkaarten, maar de PCB-diagrammen zijn nu beschikbaar voor beide interfaces (zie PCB-afbeeldingen). Merk op dat je de keuze hebt tussen slechts één type of de mix van de twee typen, dit is aan jou. Merk ook op dat ik de vervaardigde PCB nog niet heb getest (Fritzing-bestanden kunnen hier niet worden geüpload, maar ik kan ze op verzoek verstrekken).

RTC-aanpassing: de eerste keer dat de Arduino op de RTC wordt aangesloten, moet u de klok correct instellen. Uiteindelijk is deze aanpassing opnieuw nodig om de RTC-verschuiving te compenseren (2-3 sec per dag).

Deze instelling vindt plaats in de set-up() op voorwaarde dat de volgende instructie niet wordt becommentarieerd:

//#define RTC_ADJUST true // Indien gedefinieerd, zal RTC-aanpassing plaatsvinden in de set-up

Als de bovenstaande regel is uitgecommentarieerd, zal set-up() de RTC aanpassen met de waarden van de volgende constanten (vergeet niet deze constanten te initialiseren met de huidige waarden, dwz de waarden op het moment van de compilatie en download van de programma naar Arduino)

// Vergeet niet de onderstaande constante aan te passen als RTC_ADJUST is gedefinieerd !!#define DEF_YEAR 2019 // Het standaardjaar dat wordt gebruikt bij de initiële RTC-aanpassing

#define DEF_MONTH 11 // De standaardmaand die wordt gebruikt bij de initiële RTC-aanpassing

#define DEF_DAY 28 // De standaarddag die wordt gebruikt bij de initiële RTC-aanpassing

#define DEF_HOUR 11 // Het standaarduur dat wordt gebruikt bij de initiële RTC-aanpassing

#define DEF_MIN 8 // De standaard minuut die wordt gebruikt bij de initiële RTC-aanpassing

#define DEF_SEC 0 // De standaard seconde die wordt gebruikt bij de initiële RTC-aanpassing

Ook belangrijk: als de aanpassing eenmaal heeft plaatsgevonden, vergeet dan niet om de regel opnieuw te becommentariëren en het programma opnieuw te downloaden naar Arduino

//#define RTC_ADJUST true // Indien gedefinieerd, zal RTC-aanpassing plaatsvinden in de set-up

anders zou RTC-aanpassing plaatsvinden met onjuiste waarden elke keer dat het programma opnieuw wordt opgestart (inschakelen of resetten van Arduino). Dat gebeurde tijdens mijn testen!! (Ik vergat die regel opnieuw te becommentariëren en begreep niet wat er aan de hand was …).

Laten we nu eens kijken naar de klokfunctie zelf.

In principe zijn er twee weergavemodi:

1. De KLOK-modus (zie afbeelding #9)

   1. de uur-led die overeenkomt met het huidige uur is AAN
   2. de minuten-led die overeenkomt met het huidige veelvoud van 5 minuten is AAN (deze led blijft 5 minuten AAN)
   3. elke minuut led, behalve degene die AAN is, knippert gedurende 5 seconden (welke led is afgeleid van de "tweede" waarde afgelezen van de RTC)

De RANDOM-modus (zie afbeelding #10)

alle leds worden willekeurig AAN en UIT geschakeld, behalve de huidige "uren" en "minuten"

De tijd dat een minuut led AAN is duurt 5 minuten, maar gedurende die tijd gaat de "echte" minuut vooruit. Als de huidige minuut bijvoorbeeld 15 wordt, gaat de "oostelijke" led gedurende 5 minuten AAN, maar de echte minuut zal gedurende die 5 minuten 15, 16, 17, 18 en 19 zijn (we noemen dit de "5 minuten fiets")

Het programma doet drie dingen:

1. Het berekent het verschil tussen de "echte" minuut en de weergegeven minuut en geeft 5 waarden: 0, 1, 2, 3 en 4
2. Het berekent hoe lang de willekeurige modus zou moeten duren door het getal net daarboven te vermenigvuldigen met 6 seconden, wat leidt tot 5 waarden: 0, 6, 12, 18 en 24 (seconden) voor de willekeurige modus en het verschil tussen deze waarden en 30 voor de klokmodus (30, 24, 18, 12 en 6 seconden)
3. Het herhaalt deze verdeling tussen modi twee keer binnen elke minuut (het totaal van beide modi is altijd 30 seconden)

Deze "cyclus van 5 minuten" wordt steeds opnieuw toegepast telkens wanneer de volgende "minuut-led" wordt ingeschakeld (wat elke 5 minuten gebeurt).

Opmerking: men kan de echte minuut eenvoudig afleiden door te tellen hoe lang de willekeurige modus duurt en deze duur te delen door 6; als u bijvoorbeeld 18 seconden telt voor de willekeurige modus en de "25" minuten is AAN, betekent dit dat de echte minuut 28 is (18/6 = 3 en 25+3 = 28)

Op deze video is eerst de klokmodus te zien (de huidige tijd is tussen 10u25 en 10u29), dan de willekeurige modus (die 6 seconden duurt, wat betekent dat de huidige minuten 26 zijn) en dan weer de klokmodus. Merk op dat de pallet hier op de grond staat en dat de fles "middernacht" aan de rechterkant staat. Sinds deze eerste tentoonstelling wordt de klok nu verticaal gepresenteerd op een statief (foto #11)

Merk ook op dat de leds van het huidige uur (10h) en minuten (25m) niet worden beïnvloed door de willekeurige modus.

Opmerkingen over PCB-diagrammen

Eerste PCB (native 74HC595: foto #4):

• U1 en U2 zijn 74HC595 IC's
• Pin layout is te vinden op afbeelding #6 (zie ook de pin gebruikt in Arduino in de variabele declaratie van het programma)

Tweede PCB (Sparkfun 74HC595 breakout boards: foto #5)

De pinlay-out is te vinden op afbeelding #7

Ik heb mannelijke pin-headers gebruikt die op beide interfacekaarten zijn gesoldeerd, zodat alle connectoren van de draden vrouwelijk zijn.

Stap 7: De flessen op de pallet bevestigen en de leds aansluiten

Voor elke fles om de beurt:

• Zoek de hals op de pallet (plaats de fles op zijn plaats, markeer de hals en verwijder de fles)
• Schroef een bevestigingskraag met de schroef in het midden en in het midden van de nek (gemarkeerd op de pallet). Ik gebruikte zelfborende gipsschroeven. U kunt een geleidegat in de kraag boren als u dit gemakkelijker vindt.
• Steek de plug van de fles in het gat in de pallet
• Sluit de kraag rond de hals van de fles, de fles moet nu op de pallet worden bevestigd

Dat is het! (vergeet niet de touwtjes en de flessenetiketten aan het einde te verwijderen).

Voor elke led:

Verbind beide led-poten met de + en GND-draden. De + komt van de juiste uitgangspin op de interfacekaart en de GND van een van de tussenliggende "GND-verdeelborden"; deze borden zijn gewoon testborden (+/- 2 cm x 5 cm) met lineaire banden waarop u mannelijke pin-headers soldeert met al hun pinnen op dezelfde band gesoldeerd, waarbij één pin is aangesloten op één interface GND-pin beschikbaar; als je een tekort aan GND-pinnen hebt, sluit je de band gewoon aan op een tweede en verbind je ze met elkaar. Ik raad aan om de gesoldeerde led-aansluitingen te isoleren met een krimpkous (blauw voor GND en rood voor led-signaal, "+")

Bevestig alle kaarten op de pallet, hieronder, en verbind ze met elkaar met draden met vrouwelijke connector (Arduino naar interfacekaarten, 6 signalen + GND, voedingen naar Arduino en interfacekaarten en RTC, RTC naar Arduino, interfacekaarten naar 24 leds (12 op één interfacekaart). Vergeet niet de GND op alle boards aan te sluiten.

Bevestig de voedingen op één verticale houten plank, sluit de AC-kabel aan op de eerste en doorlus met de tweede (let op, sluit de AC-kabel pas aan als de aansluitingen zijn gemaakt!).

Onderstaande video toont de eerste drie minuten van een cyclus van 5 minuten. De huidige tijd is bijna 4h55 en de video begint net voordat de "50min" led overschakelt naar de "55min" (eerst de laatste seconden van de 24sec willekeurige modus, de 6sec van de klokmodus en dan de omschakeling naar 55min led). Tijdens de eerste minuut (16u55) wordt alleen de klokmodus weergegeven (60 seconden), tijdens de tweede minuut (16u56) begint elke stap van 30 seconden met 6 seconden willekeurige modus en daarna volgt de 24 seconden klokmodus, tijdens de derde minuut (16u57), 12 seconden willekeurig en 18 seconden klok (tweemaal)

Stap 8: Opmerkingen, uitbreidingen en verbeteringen

Opmerkingen:

• Wanneer het programma start, wacht het tot de volgende "volle minuut" (d.w.z. RTC-seconden = 0) voordat de led-weergave begint

• Sommige parameters in het programma maken het mogelijk om:

  • Selecteer een andere oriëntatie voor de led "middernacht"
  • Verdeel de twee modi over één volle minuut in plaats van tweemaal 30 seconden
• De palletsteun en de ciderflessen zijn niet absoluut noodzakelijk, u kunt andere soorten displaysteunen bedenken zoals bijvoorbeeld een suikerdoos, zoals op de afbeelding te zien is

Extensies:

• Ik heb het programma aangepast en een "tabelgestuurde" versie gemaakt die de onderverdeling van de klok/willekeurige modi mogelijk maakt op basis van een timingtabel in plaats van op een vooraf gedefinieerde regel
• Een "kalenderafhankelijke" tabel (datum, start-uur, stop-uur) maakt het mogelijk om de start- en stoptijd van de klok te regelen, zodat deze ingeschakeld kan blijven als de tentoonstelling 's avonds wordt gesloten (deze wordt automatisch stopt het display en start 's morgens zonder enige handmatige actie)
• Het programma heeft een versie waarbij de weergave wordt geactiveerd door een aanwezigheidsdetectie van bezoekers en stopt 5 minuten na afwezigheid van bezoekers.

Verbeteringen:

• RTC: een stabielere versie zou de tot nu toe gebruikte 1307 kunnen vervangen
• Een handmatige RTC-aanpassing kan worden toegevoegd (bijvoorbeeld door twee roterende encoders toe te voegen, zoals https://wiki.dfrobot.com/Rotary_Switch_Module_V1_… en een drukknop om de nieuwe uur- en minuteninstellingen te bevestigen)