CLEPCIDRE: un reloj digital de botellas de sidra: 8 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Antes de sumergirme en la descripción del objeto, necesito explicar el contexto en el que ha sido diseñado y construido. Mi esposa es artista y trabaja básicamente con arcilla, como ceramista, pero también con otros materiales como madera, pizarra o vidrio. En la mayoría de sus obras trata de mostrar las huellas dejadas por el tiempo en los objetos y muchas veces incorpora materiales que se encuentran en la naturaleza como trozos de madera en la playa, para "dar una segunda vida a los artículos usados". Su hermana y su cuñado solían hacer su propia sidra (en Normandía) y todavía tienen cientos de botellas de sidra durmiendo bajo una gruesa capa de polvo en su antiguo lagar. Eso fue más que suficiente para desencadenar la siguiente idea de creación de mi esposa: "un reloj de botellas de sidra". El vínculo con el tiempo es evidente: esas botellas han tenido un pasado glorioso y ahora deben ser testigos del paso del tiempo y juntas forman un reloj. Así que hace un año me preguntó: "Cariño, ¿me puedes hacer un reloj con lámparas debajo de 12 botellas de sidra? Yo misma voy a aplanar las botellas en mi horno y tú te preocupas del resto: el soporte de madera, -un palet-"., las lámparas y toda la circuitería electrónica! Quiero mostrar la hora pero no siempre, los leds también deben parpadear aleatoriamente, ¿es posible? También debes buscar la solución para fijar las botellas en el palet”. El reloj debería estar listo dentro de un mes …

El "apodo" de esta obra de arte es "CLEPCIDRE" que significa (en francés) "Circuit Lumineux Electronique Programmé sous bouteilles de CIDRE", es un guiño al nombre "CLEPSYDRE" que designa un reloj de agua inventado por los egipcios. Mi esposa lo llama "Les Bouteilles de Ma Soeur" (Las botellas de mi hermana).

Imagen # 1: El stock de botellas de sidra de mi cuñada.

Imagen n. ° 2: el documento de especificaciones original

Imagen # 3 a # 6: vistas del reloj

CLEPCIDRE se ha mostrado durante dos exposiciones el año pasado, la primera en el "Greniers à Sel" en Honfleur (Calvados, Normandía, Francia) en abril de 2019 (foto # 6) y la segunda en Touques (Calvados, Normandía, Francia) en junio de 2019.

Suministros

• Doce botellas de sidra (puedes probar otros tipos de botella: champagne, vino espumoso,… pero sin garantía)
• Un horno de cerámica (utilizamos un horno cilíndrico de carga superior de 5 kVA)
• Una paleta (tableros de borde a borde, dimensiones: +/- 107cmx77cmx16cm)
• Algunas tablas de madera (para cerrar los lados del palet)
• 24 leds blancos de 10 mm de diámetro de alta potencia (p. Ej.,
• Una placa Arduino: Uno o Leonardo está bien, una placa más pequeña puede estar bien, Mega es un poco exagerada
• Dos fuentes de alimentación (5V para Leds y 12V para placas Arduino y RTC, aunque 5V para Arduino deberían estar bien pero no probadas)
• Una placa RTC (he usado un Adafruit DS1307 pero recomendaría un RTC con compensación de temperatura más preciso basado en DS3231; el DS1307 cambia de 2 a 3 segundos todos los días y necesita un reajuste regular)
• 4 registros de cambio 74HC595 ya sea como elementos individuales (DIL CMOS IC de 16 pines) o ya montados en la placa (por ejemplo, SparkFun Shift Register Breakout - 74HC595 ref BOB-10680)
• Tableros de prueba epoxi (50 * 100 mm, agujeros en grupo de 3 y tableros de uso general con bandas de cobre lineales)
• Broca de diamante (6 u 8 mm) y tacos de madera (6 u 8 mm)
• 24 resistencias de 1/4 W (220 Ω)
• Collar de fijación para tapón mecánico de botella (se encuentra en ferretería o Internet)
• Pegamento, alambres, manguito termorretráctil, herramientas,.., tornillos,.., soldador (18W OK)

Paso 1: Lo más fácil: cerrar los lados del palé

Intente encontrar una paleta de madera (encontré una de unos 107 cm * 77 cm). No debe haber ningún espacio entre las tablas de madera.

Fije 4 tablas de madera con tornillos, una a cada lado. Corta las 4 tablas de las lager para obtener las dimensiones correctas.

Como puede haber (y probablemente habrá) reposapiés, recomiendo cortarlos como se muestra en la imagen, esto liberará el acceso a los tableros inferiores y permitirá la perforación de agujeros para los leds.

Posteriormente, cuando se hayan marcado las posiciones de los leds, será necesario perforar en dos etapas, primero el agujero con el diámetro del led (9 - 10mm) y luego el agujero más grande (digamos 2cm) para obtener el espesor correspondiente a la altura del led (es probable que el grosor de la tabla de madera sea mayor que la altura del led)

Imagen 1: El palet visto desde abajo con los orificios de led ya perforados

Paso 2: aplana las botellas de sidra

La capacidad de nuestro horno permite calentar 6 botellas a la vez en 3 niveles. Al colocar las botellas, asegúrese de que las botellas no estén en contacto entre sí, ni con las paredes del horno ni con las columnas.

Puede ser creativo y agregar, por ejemplo, cuentas de vidrio o conchas o pequeñas piedras en las botellas. También puede insertar un soporte de terracota debajo de las botellas, este último tomará la forma del soporte durante el calentamiento.

Lo más importante en este proceso es dejar enfriar las botellas muy lentamente y no abrir el horno demasiado pronto, aunque pienses que la temperatura del horno es igual a la de la habitación, debes saber que la temperatura del vidrio se mantiene por encima de la horno uno durante un tiempo determinado, y cualquier choque de temperatura, incluso uno pequeño, puede provocar la rotura del vidrio. Hemos tenido botellas que se han roto uno o dos días después del calentamiento y recomiendo tener en cuenta +/- 30% de pérdida (prever de 16 a 18 botellas para obtener 12 al final, por no hablar de las que no quedarán satisfechas). de).

El perfil de temperatura proporcionado aquí debe considerarse como un ejemplo y solo refleja las características de nuestro horno, debe realizar algunas pruebas con su propio equipo para encontrar la temperatura final más adecuada. Si calienta demasiado, obtendrá botellas completamente planas, mientras que si calienta demasiado, las botellas no se aplanarán lo suficiente.

Imagen 1: El horno, vista general

Imagen 2: Dos botellas aplanadas (no tengo ninguna imagen de las botellas en el horno antes del calentamiento en este momento)

Imagen 3: Perfil de temperatura típico

Paso 3: Ubique las posiciones de las botellas y los LED

En el diseño del reloj, explicaré más adelante, hay dos leds debajo de cada botella, los "externos" que muestran las horas (0 a 11 y 12 a 23) y los internos que muestran los minutos por paso de 5 (0, 5, … 55). Primero debe colocar las botellas alrededor del palet. Para eso, primero necesita estirar cuerdas entre una chincheta central y 12 chinchetas alrededor de la paleta, "diametralmente opuestas" si es posible. 4 posiciones son obvias y fáciles de encontrar: 0, 3, 6 y 9 horas (las cuerdas se unen en el medio de cada lado, de dos en dos). Las otras 4 líneas son un poco más complicadas. Es necesario orientar las cuerdas para que haya espacio suficiente para cada botella (las botellas están alineadas de dos en dos con su eje correspondiente a la cuerda) y la botella da la impresión de estar distribuida equitativamente. Este paso requiere un poco de prueba y error. Tenga en cuenta también que, como no son todos iguales, debe elegir dónde debe ir cada botella (esto es una cuestión de "sentimiento artístico"). Una vez elegido el lugar de cada botella, no olvide colocar una etiqueta con su número a cada botella y poner una marca en el palet para el centro inferior de cada botella (ver más adelante). Estos puntos y las cuerdas se utilizarán posteriormente para localizar los orificios de los tacos de fijación.

A continuación, los dos leds deben colocarse con respecto a cada botella y las posiciones luego transferidas al palet.

Para eso he construido una caja con dos tableros "móviles" (ver foto), el primero perpendicular al eje de la botella y el segundo, que se atornilla al primero en su centro, permitiendo la rotación, se alinea en ese eje. En este segundo tablero realicé dos orificios (9 o 10 mm diám.) Uno de ellos en forma de ojal para que un led se pueda mover en la dirección del eje. Aplico 5V a cada led, escogido de una placa Arduino o de cualquier otra fuente. ¡TEN CUIDADO! Los leds de alta luminosidad pueden resultar perjudiciales si los miras directamente, por lo que es muy recomendable colocar una banda de cinta adhesiva translúcida encima de los leds.

Coloque cada botella en la parte superior de la caja y mueva las dos tablas y el LED "móvil" hasta que esté satisfecho con el efecto (recuerde que puede haber insertado perlas de vidrio en algunas botellas y colocar leds debajo de dichas perlas mejora el efecto de luz). mida la posición de los leds con respecto al centro inferior de la botella y su eje y transfiera estos puntos al palet con un lápiz. Cuando se hayan marcado los 24 puntos en la paleta, taladre orificios guía (2-3 mm de diámetro).

Nota: la última imagen muestra el primer posicionamiento de las cuerdas que se basó en un ángulo fijo de 30 ° entre ellas, pero, como se puede ver, esto no era compatible con el espacio que necesitaban las botellas; Tuve que volver a alinear las cuerdas de las botellas.

Imagen 1: Dibujo que muestra los leds y su significado.

Imagen 2: La caja especial para ubicar la posición de los leds debajo de cada botella.

Imagen 3: La misma caja con una botella.

Imagen 4: Colocación de las botellas (y cuerdas) en el palet

Paso 4: Perforación de orificios para los LED

Usando los orificios piloto del paso anterior, ahora debe perforar los orificios para los leds, pero, como es probable que el grosor del tablero del palet sea mayor que la altura de los leds, debe reducir el grosor perforando un orificio más grande (por ejemplo con un Taladro para madera de 2 cm). Taladre primero el agujero más grande (la profundidad debe ser tal que el grosor "no taladrado" corresponda a la altura del led) y luego los agujeros de los leds. Ajústelo si es necesario para que la parte superior de la lámpara quede al ras con la superficie de la madera.

Marque cada agujero con etiquetas Hx y Mx (H para Horas y M para Minutos, x = 0, 1,..11).

Esto se ilustra en la imagen.

Paso 5: Perforación de orificios en las botellas para las clavijas de fijación

Puede encontrar cómo perforar agujeros en vidrio en este sitio:

Encuentre la posición del orificio en el eje de la botella para que no se superponga con un LED, a unos 2-3 cm del centro inferior de la botella debería estar bien. Taladre un agujero (8 mm de diámetro) en la parte inferior, pero en la mitad del grosor (¡no perfore todo el grosor de la botella!). Marque el mismo punto en la parte superior de la paleta y taladre un orificio del mismo diámetro (en todo el espesor correcto). La posición del agujero se mide en la cuerda desde la parte inferior de la botella que debería haber marcado al colocarlos.

Fije las clavijas de cada botella en el orificio con pegamento fuerte (componentes duales) y deje que el pegamento se seque.

Tan pronto como las clavijas estén fijadas, puede colocar las botellas en el palet (horizontal) insertando sus clavijas en los orificios. Las botellas deben colocarse cabeza a cola, la primera (12h) con el cuello hacia afuera.

Retire las botellas (sacando suavemente su taco de la madera).

Ahora puede insertar los leds en sus orificios, reajustar los orificios que son demasiado pequeños. Para aquellos que sean demasiado grandes, deberá bloquear el led con un pequeño trozo de madera atornillado debajo.

Noté que, incluso a través de las botellas, la luz que producían los leds era demasiado fuerte y las pinté de amarillo pálido.

Imagen 1: El material de perforación de vidrio (nota: utilicé una alfombrilla de goma debajo de la botella)

Paso 6: la parte electrónica

El circuito de comando de led básico se muestra en la primera imagen (tenga en cuenta que la placa RTC no se muestra en este diagrama, pero conectarla a Arduino es fácil y está bien documentada; en la mayoría de los casos, el fabricante de RTC proporciona una biblioteca). En la versión final, las placas de prueba han sido reemplazadas por PCB.

Decidí separar la interfaz de horas de la interfaz de minutos para facilitar un poco el programa. Cada interfaz se basa en dos registros de desplazamiento 74HC595 conectados en serie. Se utilizan todas las salidas del primer registro (0 a 7) mientras que solo se necesitan las cuatro primeras para el segundo (8 a 11).

Para el sistema final, creé dos interfaces separadas utilizando placas de prueba de 5 cm x 10 cm (orificios agrupados por 3). He usado dos tipos de 74HC595, el primero son los IC DIL nativos de 16 pines que monté en dos soportes de 16 pines, soldados en la placa y el segundo son dos placas pequeñas que compré en Sparkfun, con una superficie 74HC595 montado en cada uno (foto # 7).

Como tenía prisa, no podía esperar a la fabricación de circuitos impresos, así que hice el PCB yo mismo con placas de prueba, pero los diagramas de PCB ahora están disponibles para ambas interfaces (ver imágenes de PCB). Tenga en cuenta que puede elegir entre un solo tipo o la combinación de los dos tipos, esto depende de usted. Tenga en cuenta también que todavía no probé el PCB fabricado (los archivos de Fritzing no se pueden cargar aquí, pero puedo proporcionarlos si se solicitan).

Ajuste de RTC: la primera vez que el Arduino se conecta al RTC, deberá configurar el reloj correctamente. Eventualmente, este ajuste se requiere nuevamente para compensar el cambio de RTC (2-3 segundos por día).

Esta configuración tiene lugar en la configuración () siempre que la siguiente instrucción no esté comentada:

// # define RTC_ADJUST true // Si define, el ajuste de RTC se llevará a cabo en la configuración

Si la línea anterior está comentada, set-up () ajustará el RTC con los valores de las siguientes constantes (no olvide inicializar estas constantes con los valores actuales, es decir, los valores en el momento de la compilación y descarga del programa a Arduino)

// ¡No olvide ajustar la constante a continuación si se define RTC_ADJUST! # Define DEF_YEAR 2019 // El año predeterminado utilizado en el ajuste inicial de RTC

#define DEF_MONTH 11 // El mes predeterminado utilizado en el ajuste inicial de RTC

#define DEF_DAY 28 // El día predeterminado utilizado en el ajuste inicial de RTC

#define DEF_HOUR 11 // La hora predeterminada utilizada en el ajuste inicial de RTC

#define DEF_MIN 8 // El minuto predeterminado utilizado en el ajuste inicial de RTC

#define DEF_SEC 0 // El segundo predeterminado utilizado en el ajuste inicial de RTC

También es importante: una vez realizado el ajuste, no olvide volver a comentar la línea y volver a descargar el programa en Arduino.

// # define RTC_ADJUST true // Si define, el ajuste de RTC ocurrirá en la configuración

de lo contrario, el ajuste de RTC se llevaría a cabo con valores incorrectos cada vez que se reinicia el programa (encendido o reinicio de Arduino). ¡Eso sucedió durante mis pruebas! (Olvidé volver a comentar esa línea y no entendí lo que estaba pasando…).

Ahora echemos un vistazo a la funcionalidad del reloj en sí.

Básicamente, hay dos modos de visualización:

1. El modo CLOCK (vea la imagen # 9)

   1. el led de la hora correspondiente a la hora actual está encendido
   2. el led de minutos correspondiente al múltiplo actual de 5 minutos está encendido (este led permanece encendido durante 5 minutos)
   3. cada led de minuto, distinto del que está encendido, parpadea durante 5 segundos (led que se deriva del "segundo" valor leído en el RTC)

El modo ALEATORIO (vea la imagen # 10)

todos los leds se encienden y apagan aleatoriamente, excepto los de "hora" y "minutos" actuales

El tiempo durante el cual un led de minuto está encendido dura 5 minutos, pero durante ese tiempo avanza el minuto "real". Por ejemplo, cuando el minuto actual se convierte en 15, el LED "este" se encenderá durante 5 minutos, pero el minuto real será 15, 16, 17, 18 y 19 durante esos 5 minutos (lo llamaremos "5 minutos ciclo")

El programa hace tres cosas:

1. Calcula la diferencia entre el minuto "real" y el mostrado, dando 5 valores: 0, 1, 2, 3 y 4
2. Calcula cuánto tiempo debe durar el modo aleatorio multiplicando el número encontrado justo arriba por 6 segundos, lo que da lugar a 5 valores: 0, 6, 12, 18 y 24 (segundos) para el modo aleatorio y la diferencia entre estos valores y 30 para el modo reloj (30, 24, 18, 12 y 6 segundos)
3. Repite esta distribución entre modos dos veces dentro de cada minuto (el total de ambos modos siempre es de 30 segundos)

Este "ciclo de 5 minutos" se aplica una y otra vez cada vez que se enciende el siguiente "led de minutos" (lo que ocurre cada 5 minutos).

Observación: se puede derivar el minuto real simplemente contando cuánto dura el modo aleatorio y dividiendo esta duración entre 6; por ejemplo, si cuenta 18 segundos para el modo aleatorio y los "25" minutos están ENCENDIDOS, esto significa que el minuto real es 28 (18/6 = 3 y 25 + 3 = 28)

En este video se puede ver primero el modo de reloj (la hora actual está entre las 10h25 y las 10h29) luego el modo aleatorio (que dura 6 segundos, lo que significa que los minutos actuales son 26) y luego el modo de reloj nuevamente. Tenga en cuenta que la paleta aquí se coloca en el suelo y que la botella de "medianoche" está a la derecha. Desde esta primera exposición, el reloj ahora se presenta verticalmente sobre un soporte de trípode (Imagen # 11)

Tenga en cuenta también que los leds de hora (10 h) y minuto (25 m) actuales no se ven afectados por el modo aleatorio.

Notas sobre los diagramas de PCB

Primera PCB (74HC595 nativo: imagen 4):

• U1 y U2 son circuitos integrados 74HC595
• El diseño de los pines se puede encontrar en la imagen # 6 (vea también el pin usado en Arduino en la declaración de variables del programa)

Segunda PCB (placas de conexión Sparkfun 74HC595: imagen n. ° 5)

El diseño de los pines se puede encontrar en la imagen n. ° 7

He utilizado encabezados de clavija macho soldados en ambas placas de interfaz, por lo que todos los conectores de los cables son hembras.

Paso 7: Fijación de las botellas en el palet y conexión de los leds

Para cada botella a su vez:

• Ubique su cuello en el palet (coloque la botella en su lugar, marque el cuello y retire la botella)
• Atornille un collar de fijación con el tornillo en su centro y en el centro del cuello (marcado en el palet). Usé tornillos de yeso autoperforantes. Puede perforar un orificio piloto en el collar si le resulta más fácil.
• Inserte la clavija de la botella en su agujero en el palet.
• Cierre el collar alrededor del cuello de la botella, la botella ahora debe fijarse en el palet.

¡Eso es todo! (no olvide quitar las cuerdas y las etiquetas de las botellas al final).

Para cada led:

Conecte ambas patas del LED a los cables + y GND. El + proviene del pin de salida apropiado en la placa de interfaz y el GND de una de las "placas de distribución GND" intermedias; estas placas son simplemente placas de prueba (+/- 2 cm x 5 cm) con bandas lineales en las que se sueldan los cabezales de los pines macho con todos sus pines soldados en la misma banda, un pin está conectado a un pin GND de interfaz disponible; Si se está quedando sin pines GND, simplemente conecte la banda a una segunda y conéctelos entre sí. Recomiendo aislar las conexiones LED soldadas con un manguito termorretráctil (azul para GND y rojo para señal LED, "+")

Fije todas las placas en la paleta, a continuación, y conéctelas con cables con conectores hembra (Arduino a placas de interfaz, 6 señales + GND, fuentes de alimentación a Arduino y placas de interfaz y RTC, RTC a Arduino, placas de interfaz a 24 leds (12 en una placa de interfaz). No olvide conectar GND a todas las placas.

Fije las fuentes de alimentación en una tabla de madera vertical, conecte el cable de CA al primero y conéctelo en cadena al segundo (¡tenga cuidado, solo enchufe el cable de CA una vez que se hayan realizado las conexiones!).

El siguiente video muestra los tres primeros minutos de un ciclo de 5 minutos. El tiempo actual es de casi 4h55 y el video comienza justo antes de que el led "50min" cambie al "55min" (primero los últimos segundos del modo aleatorio de 24seg, el de 6seg del modo reloj y luego el led de 55min). Durante el primer minuto (16h55), solo se muestra el modo de reloj (60 segundos), durante el segundo minuto (16h56), cada paso de 30 segundos comienza con el modo aleatorio de 6 segundos y luego sigue el modo de reloj de 24 segundos, durante el tercer minuto (16h57), 12 segundos aleatorios y reloj de 18 segundos (dos veces)

Paso 8: Comentarios, extensiones y mejoras

Observaciones:

• Cuando el programa comienza, espera hasta el próximo "minuto completo" (es decir, RTC-segundos = 0) antes de que comience la visualización del LED.

• Algunos parámetros del programa permiten

  • Seleccione una orientación diferente para el LED "medianoche"
  • Distribuya los dos modos en un minuto completo en lugar de dos veces 30 segundos
• El soporte del palet y las botellas de sidra no son absolutamente necesarios, se pueden inventar otros tipos de soportes expositores como por ejemplo un cajón de azúcar, como se muestra en la imagen.

Extensiones:

• Adapté el programa e hice una versión "basada en tablas" que permite la subdivisión de los modos de reloj / aleatorio en función de una tabla de tiempo en lugar de una regla predefinida
• Una tabla "dependiente del calendario" (fecha, hora de inicio, hora de finalización) permite el control de la hora de inicio y finalización del reloj, de modo que se pueda dejar encendido cuando la exposición se cierre por la noche (automáticamente detiene la pantalla y comienza por la mañana sin ninguna acción manual)
• El programa tiene una versión en la que la pantalla se activa mediante una detección de presencia de visitantes y se detiene 5 minutos después de la ausencia de visitantes.

Mejoras:

• RTC: una versión más estable podría reemplazar al 1307 utilizado hasta ahora
• Se podría agregar un ajuste manual de RTC (por ejemplo, agregando dos codificadores rotativos, como https://wiki.dfrobot.com/Rotary_Switch_Module_V1_… y un botón para confirmar la nueva configuración de hora y minuto)