CLEPCIDRE: Relógio Digital de Garrafas de Cidra: 8 Passos (com Imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Antes de mergulhar na descrição do objeto, preciso explicar o contexto no qual ele foi projetado e construído. Minha esposa é artista e trabalha basicamente com argila, como ceramista, mas também com outros materiais como madeira, ardósia ou vidro. Na maioria de suas obras, ela tenta mostrar os rastros deixados pelo tempo nos objetos e muitas vezes incorpora materiais encontrados na natureza como pedaços de madeira na praia, de modo a "dar uma segunda vida a peças usadas". Sua irmã e seu cunhado costumavam fazer sua própria sidra (na Normandia) e ainda tem centenas de garrafas de sidra dormindo sob uma espessa camada de poeira em sua velha prensa. Isso foi mais do que suficiente para desencadear a próxima ideia de criação da minha esposa: "um relógio de garrafas de sidra". A ligação com o tempo é evidente: aquelas garrafas tiveram um passado glorioso e agora devem ser testemunhas da passagem do tempo e juntas formarem um relógio. Então, um ano atrás, ela me perguntou: "Querida, você pode me fazer um relógio com lâmpadas com 12 garrafas de sidra? Eu vou nivelar as garrafas no meu forno e você cuida do resto: o suporte de madeira, -um palete-, as lâmpadas e todo o circuito eletrônico! Quero mostrar a hora mas nem sempre, os leds também devem piscar aleatoriamente, é possível? Você também deve encontrar a solução para fixar as garrafas no palete ". O relógio deve ficar pronto dentro de um mês …

O "apelido" desta obra de arte é "CLEPCIDRE" que significa (em francês) "Circuit Lumineux Electronique Programmé sous bouteilles de CIDRE", é uma referência ao nome "CLEPSYDRE" que designa um relógio de água inventado pelos egípcios. Minha esposa chama de "Les Bouteilles de Ma Soeur" (garrafas da minha irmã).

Imagem # 1: o estoque de garrafas de cidra da minha cunhada

Imagem # 2: O documento de especificação original

Imagem # 3 a # 6: visualizações do relógio

CLEPCIDRE foi exibido durante duas exposições no ano passado, a primeira em "Greniers à Sel" em Honfleur (Calvados, Normandia, França) em abril de 2019 (foto 6) e a segunda em Touques (Calvados, Normandia, França) em junho de 2019.

Suprimentos

• Doze garrafas de cidra (você pode experimentar outros tipos de garrafa: champanhe, espumante, … mas sem garantia)
• Um forno de cerâmica (usamos um forno cilíndrico de carregamento superior de 5kVA)
• Uma palete (placas de ponta a ponta, dimensões: +/- 107 cm x 77 cm x 16 cm)
• Algumas tábuas de madeira (para fechar as laterais da palete)
• 24 leds brancos de alta potência com 10 mm de diâmetro (por exemplo,
• Uma placa Arduino: Uno ou Leonardo OK, uma placa menor pode ser OK, Mega é um pouco exagerado
• Duas fontes de alimentação (5 V para Leds e 12 V para placas Arduino e RTC, embora 5 V para Arduino deva estar OK, mas não testado)
• Uma placa RTC (usei um Adafruit DS1307, mas recomendaria um RTC com compensação de temperatura mais preciso baseado no DS3231; o DS1307 muda de 2 a 3 segundos todos os dias e precisa de reajustes regulares)
• 4 registros de deslocamento 74HC595 como itens individuais (16 pinos DIL CMOS IC) ou já montados na placa (por exemplo, SparkFun Shift Register Breakout - 74HC595 ref BOB-10680)
• Placas de teste de epóxi (50 * 100 mm, orifícios no grupo de 3 e placas de uso geral com bandas lineares de cobre)
• Broca de diamante (6 ou 8 mm) e cavilhas de madeira (6 ou 8 mm)
• 24 resistores de 1/4 W (220 Ω)
• Colar de fixação para tampão de garrafa mecânica (encontrado em loja de ferragens ou Internet)
• Cola, fios, luva termo-retrátil, ferramentas,.., parafusos,.., ferro de solda (18W OK)

Etapa 1: A coisa mais fácil: fechando as laterais da palete

Tente encontrar um palete de madeira (encontrei um de cerca de 107cm * 77cm). Não deve haver nenhum espaço entre as tábuas de madeira.

Fixe 4 tábuas de madeira com parafusos, uma de cada lado. Corte as 4 placas maiores para obter as dimensões corretas.

Como pode haver (e provavelmente haverá) rodapés, recomendo cortá-los conforme mostrado na foto, isso vai liberar o acesso aos rodapés e permitir a abertura de furos para os leds.

Posteriormente, quando as posições dos leds tiverem sido marcadas, será necessário perfurar em duas etapas, primeiro o orifício com o diâmetro do led (9 - 10mm) e depois o orifício maior (digamos 2cm) para obter a espessura correspondendo à altura do led (a espessura da placa de madeira é provavelmente maior do que a altura do led)

Figura 1: O palete visto de baixo com os furos led já perfurados

Etapa 2: alise as garrafas de sidra

A capacidade do nosso forno permite o aquecimento de 6 garrafas de cada vez em 3 níveis. Ao colocar as garrafas, certifique-se de que as garrafas não entrem em contato umas com as outras, nem com as paredes do forno nem com as colunas.

Você pode ser criativo e adicionar, por exemplo, contas de vidro ou conchas ou pedrinhas nas garrafas. Também pode inserir um suporte de terracota por baixo das garrafas, que assumirá a forma do suporte durante o aquecimento.

O mais importante neste processo é deixar as garrafas esfriarem bem devagarinho e não abrir o forno muito cedo, mesmo que você pense que a temperatura do forno é igual à da sala, você deve saber que a temperatura do vidro continua acima do forno um durante um certo tempo, e qualquer choque de temperatura, mesmo que pequeno, pode causar quebra de vidro. Já tivemos garrafas quebradas um ou dois dias após o aquecimento e recomendo levar em conta +/- 30% da perda (preveja 16 a 18 garrafas para obter 12 no final, sem falar nas que você não ficará satisfeito do).

O perfil de temperatura aqui fornecido deve ser considerado como um exemplo e reflete apenas as características do nosso forno, você deve executar alguns testes com seu próprio equipamento a fim de encontrar a temperatura final mais adequada. Se você aquecer demais, as garrafas ficarão completamente achatadas, enquanto se aquecer menos as garrafas não ficarão achatadas o suficiente.

Imagem 1: O forno, visão geral

Imagem 2: Duas garrafas achatadas (não tenho nenhuma foto das garrafas no forno antes do aquecimento agora)

Imagem 3: Perfil de temperatura típico

Etapa 3: localize as posições das garrafas e dos leds

No design do relógio, explicarei mais tarde, há dois leds sob cada garrafa, os "externos" mostrando as horas (0 a 11 e 12 a 23) e os internos mostrando os minutos por etapa de 5 (0, 5,… 55). Primeiro você precisa posicionar as garrafas ao redor do palete. Para isso, você precisa primeiro esticar os cordões entre um pino central e 12 pinos ao redor do palete, "diametralmente opostos" se possível. 4 posições são óbvias e fáceis de encontrar: 0, 3, 6 e 9 horas (as cordas se unem no meio de cada lado, duas a duas). As outras 4 linhas são um pouco mais complicadas. É necessário orientar os fios de modo que haja espaço suficiente para cada garrafa (as garrafas são alinhadas dois a dois com seus eixos correspondentes ao fio) e a garrafa que dá a impressão seja igualmente distribuída. Esta etapa requer um pouco de tentativa e erro. Observe também que como não são todos iguais, você deve escolher onde cada garrafa deve ir (isso é uma questão de "sentimento artístico"). Uma vez escolhido o local de cada garrafa, não se esqueça de afixar a cada garrafa uma etiqueta com o seu número e de colocar uma marca na palete para o centro do fundo de cada garrafa (ver mais adiante). Essas pontas e os fios serão usados posteriormente para localizar os orifícios dos pinos de fixação.

Em seguida, os dois leds devem ser posicionados em relação a cada garrafa e as posições transferidas para o palete.

Para isso construí uma caixa com duas placas "móveis" (ver foto), a primeira perpendicular ao eixo da garrafa e a segunda, que é aparafusada na primeira no meio, permitindo a rotação, alinhada nesse eixo. Nesta segunda placa fiz dois furos (9 ou 10 mm diam.) Um deles em forma de casa de botão para que um led possa ser movido ao longo da direção do eixo. Eu aplico 5 V a cada led, escolhido de uma placa Arduino ou de qualquer outra fonte. TOME CUIDADO! Os leds de alta luminosidade podem ser prejudiciais se você olhar diretamente para eles, por isso é altamente recomendável colocar uma fita adesiva translúcida acima dos leds.

Coloque cada garrafa no topo da caixa e mova as duas placas e o led "móvel" até ficar satisfeito com o efeito (lembre-se de que você pode ter inserido contas de vidro em algumas garrafas e colocar leds sob essas contas aumenta o efeito da luz), meça a posição dos leds em relação ao centro do fundo da garrafa e seu eixo e transfira esses pontos para o palete com um lápis. Quando todos os 24 pontos tiverem sido marcados no palete, faça orifícios piloto (2-3 mm de diâmetro).

Nota: a última foto mostra o primeiro posicionamento das cordas que se baseava em um ângulo fixo de 30 ° entre elas, mas, como se pode ver, não era compatível com o espaço necessário para as garrafas; Tive de realinhar as cordas nas garrafas.

Figura 1: desenho mostrando os leds e seu significado

Figura 2: A caixa especial para localizar a posição dos leds sob cada garrafa

Imagem 3: A mesma caixa com uma garrafa

Imagem 4: Posicionamento das garrafas (e cordas) no palete

Etapa 4: furos para os leds

Usando os furos piloto da etapa anterior, você deve agora fazer os furos para os leds, mas, como a espessura da placa do palete é provavelmente maior do que a altura dos leds, você deve reduzir a espessura fazendo um furo maior (por exemplo, com um Broca para madeira de 2 cm). Faça primeiro o orifício maior (a profundidade deve ser tal que a espessura "não perfurada" corresponda à altura do led) e depois os orifícios dos leds. Ajuste se necessário para que a parte superior da lâmpada fique nivelada com a superfície da madeira.

Marque cada furo com rótulos Hx e Mx (H para horas e M para minutos, x = 0, 1,..11).

Isso é ilustrado pela imagem.

Etapa 5: furos em garrafas para os pinos de fixação

Como fazer furos em vidro pode ser encontrado neste site:

Encontre a posição do orifício no eixo da garrafa para que não se sobreponha a um led, a cerca de 2-3 cm do centro da parte inferior da garrafa deve estar OK. Faça um furo (8 mm de diâmetro) no lado inferior, mas na metade da espessura (não perfure toda a espessura da garrafa!). Marque o mesmo ponto na parte superior do palete e faça um orifício com o mesmo diâmetro (em toda a espessura OK). A posição do buraco é medida no fio do fundo da garrafa que você deveria ter marcado ao posicioná-los.

Fixe os pinos de cada frasco no orifício com cola forte (componentes duplos) e deixe a cola secar.

Assim que as buchas estiverem fixadas, você pode colocar as garrafas no palete (horizontal) inserindo as buchas nos orifícios. As garrafas devem ser colocadas lado a lado, sendo a primeira (12h) com o gargalo voltado para fora.

Remova as garrafas (puxando com cuidado o pino para fora da madeira).

Agora você pode inserir os leds em seus orifícios, reajustar os orifícios que são muito pequenos. Para aqueles que são muito grandes, você precisará bloquear o led com um pequeno pedaço de madeira aparafusado embaixo dele.

Reparei que, mesmo através dos frascos, a luz produzida pelos leds era muito forte e pintei-os de amarelo claro.

Imagem 1: O material de perfuração de vidro (nota: usei um tapete de borracha sob a garrafa)

Etapa 6: A parte eletrônica

O circuito de comando básico do led é mostrado na primeira imagem (observe que a placa RTC não é mostrada neste diagrama, mas conectá-la ao Arduino é fácil e bem documentado, na maioria dos casos uma biblioteca é fornecida pelo fabricante do RTC). Na versão final, as placas de pão foram substituídas por PCBs.

Decidi separar a interface de hora da interface de minuto para tornar o programa um pouco mais fácil. Cada interface é baseada em dois registradores de deslocamento 74HC595 conectados em série. Todas as saídas do primeiro registro são usadas (0 a 7), enquanto apenas as quatro primeiras são necessárias para o segundo (8 a 11).

Para o sistema final, criei duas interfaces separadas usando placas de teste de 5 cm x 10 cm (orifícios agrupados por 3). Usei dois tipos de 74HC595, sendo o primeiro ICs DIL de 16 pinos nativos que montei em dois suportes de 16 pinos, soldados na placa e o segundo sendo duas pequenas placas que comprei na Sparkfun, com uma superfície 74HC595 montado em cada um (imagem # 7).

Como estava com pressa, não pude esperar a fabricação dos circuitos impressos, então fiz o PCB sozinho com placas de teste, mas os diagramas de PCB agora estão disponíveis para ambas as interfaces (ver imagens de PCB). Observe que você pode escolher entre apenas um tipo ou a combinação dos dois tipos, isso é com você. Observe também que eu não testei o PCB fabricado ainda (os arquivos Fritzing não podem ser carregados aqui, mas posso fornecê-los se solicitado).

Ajuste de RTC: na primeira vez que o Arduino for conectado ao RTC, você precisará definir o relógio corretamente. Eventualmente, este ajuste é necessário novamente para compensar a mudança RTC (2-3 segundos por dia).

Esta configuração ocorre em set-up (), desde que a seguinte instrução não seja comentada:

// # define RTC_ADJUST true // Se definir, o ajuste RTC ocorrerá na configuração

Se a linha acima for comentada, set-up () ajustará o RTC com os valores das seguintes constantes (não se esqueça de inicializar essas constantes com os valores atuais, ou seja, os valores no momento da compilação e download do programa para o Arduino)

// Não se esqueça de ajustar a constante abaixo se RTC_ADJUST for definido !! # define DEF_YEAR 2019 // O ano padrão usado no ajuste RTC inicial

# define DEF_MONTH 11 // O mês padrão usado no ajuste RTC inicial

#define DEF_DAY 28 // O dia padrão usado no ajuste RTC inicial

#define DEF_HOUR 11 // A hora padrão usada no ajuste RTC inicial

# define DEF_MIN 8 // O minuto padrão usado no ajuste RTC inicial

#define DEF_SEC 0 // O segundo padrão usado no ajuste RTC inicial

Também importante: uma vez que o ajuste ocorreu, não se esqueça de comentar novamente a linha e baixar novamente o programa para o Arduino

// # define RTC_ADJUST true // Se definir, o ajuste RTC ocorrerá na configuração

caso contrário, o ajuste do RTC ocorreria com valores incorretos cada vez que o programa fosse reiniciado (inicialização ou reinicialização do Arduino). Isso aconteceu durante meus testes !! (Esqueci de comentar essa linha novamente e não entendi o que estava acontecendo …).

Agora, vamos dar uma olhada na funcionalidade do relógio em si.

Basicamente, existem dois modos de exibição:

1. O modo CLOCK (veja a imagem # 9)

   1. o led da hora correspondente à hora atual está LIGADO
   2. o led de minuto correspondente ao múltiplo atual de 5 minutos está LIGADO (este led permanece LIGADO por 5 minutos)
   3. cada led de minuto, exceto o que está LIGADO, pisca durante 5 segundos (cujo led é derivado do valor de "segundo" lido do RTC)

O modo RANDOM (veja a imagem # 10)

todos os leds são LIGADOS e DESLIGADOS aleatoriamente, exceto os atuais de "hora" e "minuto"

O tempo durante o qual um led de minuto está aceso dura 5 minutos, mas durante esse tempo o minuto "real" avança. Por exemplo, quando o minuto atual torna-se 15, o led "leste" será ligado durante 5 minutos, mas o minuto real será 15, 16, 17, 18 e 19 durante esses 5 minutos (chamaremos isso de "5 minutos ciclo")

O programa faz três coisas:

1. Calcula a diferença entre o minuto "real" e o mostrado, dando 5 valores: 0, 1, 2, 3 e 4
2. Ele calcula quanto tempo o modo aleatório deve durar multiplicando o número encontrado logo acima por 6 segundos, levando a 5 valores: 0, 6, 12, 18 e 24 (segundos) para o modo aleatório e a diferença entre esses valores e 30 para o modo de relógio (30, 24, 18, 12 e 6 segundos)
3. Ele repete esta distribuição entre os modos duas vezes dentro de cada minuto (o total de ambos os modos sempre sendo 30 segundos)

Este "ciclo de 5 minutos" é aplicado repetidamente cada vez que o próximo "led minuto" é LIGADO (o que acontece a cada 5 minutos).

Observação: pode-se derivar o minuto real simplesmente contando quanto tempo dura o modo aleatório e dividir essa duração por 6; por exemplo, se você contar 18 segundos para o modo aleatório e os "25" minutos estiverem LIGADOS, isso significa que o minuto real é 28 (18/6 = 3 e 25 + 3 = 28)

Neste vídeo pode-se ver primeiro o modo do relógio (a hora atual é entre 10h25 e 10h29), depois o modo aleatório (com duração de 6 segundos, o que significa que os minutos atuais são 26) e depois o modo do relógio novamente. Observe que o palete aqui é colocado no chão e que a garrafa "meia-noite" está à direita. A partir desta primeira exposição, o relógio passou a ser apresentado verticalmente sobre um suporte de tripé (Figura 11)

Observe também que os leds atuais de hora (10h) e minuto (25m) não são afetados pelo modo aleatório.

Notas sobre diagramas de PCB

Primeiro PCB (nativo 74HC595: imagem 4):

• U1 e U2 são 74HC595 IC's
• O layout do pino pode ser encontrado na imagem # 6 (veja também o pino usado no Arduino na declaração da variável do programa)

Segundo PCB (Sparkfun 74HC595 breakout boards: picture # 5)

O layout do pino pode ser encontrado na imagem # 7

Eu usei conectores de pinos machos soldados em ambas as placas de interface, então todos os conectores dos fios são fêmeas.

Etapa 7: fixando as garrafas no palete e conectando os leds

Para cada garrafa por vez:

• Localize seu gargalo no palete (coloque a garrafa no lugar, marque o gargalo e remova a garrafa)
• Aparafuse um colar de fixação com o parafuso no centro e no centro do pescoço (marcado na palete). Usei parafusos de gesso autoperfurantes. Você pode fazer um orifício piloto no colar se achar mais fácil.
• Insira o pino da garrafa em seu orifício no palete
• Feche o colar ao redor do gargalo da garrafa, a garrafa agora deve ser fixada no palete

É isso! (não se esqueça de retirar os fios e os rótulos das garrafas no final).

Para cada led:

Conecte as duas pernas do led aos fios + e GND. O + vem do pino de saída apropriado na placa de interface e o GND de uma das "placas de distribuição GND" intermediárias; essas placas são simplesmente placas de teste (+/- 2cm x 5cm) com bandas lineares nas quais você solda cabeçotes de pinos machos com todos os seus pinos soldados na mesma banda, um pino sendo conectado a um pino GND de interface disponível; se você estiver com falta de pinos GND, simplesmente conecte a banda a uma segunda e conecte-os juntos. Eu recomendo isolar as conexões de led soldadas com uma luva termo-retrátil (azul para GND e vermelho para sinal de led, "+")

Fixe todas as placas no palete, abaixo, e conecte-as com fios de conector fêmea (Arduino para placas de interface, 6 sinais + GND, fontes de alimentação para Arduino e placas de interface e RTC, RTC para Arduino, placas de interface para 24 leds (12 em uma placa de interface). Não se esqueça de conectar o GND a todas as placas.

Fixe as fontes de alimentação em uma placa de madeira vertical, conecte o cabo CA à primeira e conecte-as à segunda (tenha cuidado, conecte o cabo CA apenas quando as conexões forem feitas!).

O vídeo abaixo mostra os três primeiros minutos de um ciclo de 5 minutos. O tempo atual é quase 4h55 e o vídeo começa pouco antes do led "50min" mudar para o "55min" (primeiro os últimos segundos do modo aleatório 24seg, os 6seg do modo relógio e depois a mudança para o led 55min). Durante o primeiro minuto (16h55), apenas o modo de relógio é exibido (60 segundos), durante o segundo minuto (16h56), cada passo de 30 segundos inicia com o modo aleatório de 6 segundos e então segue o modo de relógio de 24 segundos, durante o terceiro minuto (16h57), 12 segundos aleatórios e 18 segundos (duas vezes)

Etapa 8: Observações, extensões e melhorias

Observações:

• Quando o programa começa, ele espera até o próximo "minuto completo" (ou seja, segundos RTC = 0) antes de iniciar a exibição do led

• Alguns parâmetros do programa permitem

  • Selecione uma orientação diferente para o led "meia-noite"
  • Distribuir os dois modos em um minuto completo em vez de duas vezes 30 segundos
• O suporte de paletes e as garrafas de sidra não são absolutamente necessários, você pode inventar outros tipos de suportes de exibição como uma caixa de açúcar por exemplo, como mostrado na imagem

Extensões:

• Eu adaptei o programa e fiz uma versão "baseada em tabela" permitindo a subdivisão dos modos relógio / aleatório com base em uma tabela de tempo ao invés de uma regra pré-definida
• Uma tabela "dependente do calendário" (data, hora de início, hora de parada) permite o controle da hora de início e fim do relógio, de forma que pode ser deixado ligado quando a exposição for encerrada à noite (será automaticamente interrompe a exibição e começa de manhã sem qualquer ação manual)
• O programa possui uma versão onde o display é acionado por uma detecção de presença do visitante e para 5 minutos após a ausência do visitante.

Melhorias:

• RTC: uma versão mais estável poderia substituir a 1307 usada até agora
• Um ajuste RTC manual pode ser adicionado (por exemplo, adicionando dois codificadores rotativos, como https://wiki.dfrobot.com/Rotary_Switch_Module_V1_… e um botão para confirmar as novas configurações de hora e minuto)