Jugando con el reloj de pared manual: 14 pasos

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

Los relojes de pared electrónicos (marca comercial de cuarzo) no son hoy en día nada especial. Se puede comprar en muchas tiendas. En algunos de ellos son extremadamente baratos; con precio de 2 € (50CZK). Ese precio bajo puede ser una motivación para mirarlos más de cerca. Entonces reconocí, pueden ser un juguete interesante para los novatos en electrónica, que no tienen tantos recursos y que están interesados principalmente en la programación. Pero me gustaría presentar su propio desarrollo a otros. Debido a que los relojes de pared baratos son muy tolerantes con los experimentos y las pruebas para principiantes, decidí escribir este artículo, donde me gustaría presentar ideas básicas.

Paso 1: Principio de funcionamiento

Es fácil reconocer ese reloj que utiliza para el movimiento algún tipo de motor paso a paso. El que ya rompió algunos relojes reconoció que es solo una bobina en lugar de dos en el motor paso a paso habitual. En este caso estamos hablando de motor paso a paso "monofásico" o "unipolar". (Este nombre no se usa con tanta frecuencia, es principalmente una derivación analógica para el marcado que se usa para otros motores paso a paso de pila completa). El que ya empieza a pensar en el principio de funcionamiento tiene que preguntarse cómo es posible que el motor siempre gire en la dirección correcta. Para la descripción del principio de funcionamiento es útil la siguiente imagen, que muestra tipos más antiguos de motores.

En la primera imagen se ve una bobina con terminales A y B, estator gris y rotor rojo-azul. El rotor está hecho de imán permanente, por eso está marcado con color, para ser visible, en qué dirección se magnetiza (no es tan importante, qué polo es el norte y cuál es el sur). En el estator puede ver dos "ranuras" cerca del rotor. Son muy cruciales para el principio de funcionamiento. El motor funciona en cuatro pasos. Describiremos cada paso utilizando cuatro imágenes.

Durante el primer paso (segunda imagen) se energiza el motor, ese terminal A está conectado al polo positivo y el terminal B está conectado al polo negativo. Hace un flujo magnético, por ejemplo, en la dirección de la flecha. El rotor se detendrá en su posición, que corresponderá con el flujo magnético.

El segundo paso sigue después de la desconexión de la energía. Luego, el flujo magnético en el estator se detiene y el imán tiene tendencia a girar a la posición, su polarización está en la dirección del material blando magnético de volumen máximo del estator. Y aquí son cruciales esos dos surcos. Señalan una pequeña desviación del volumen máximo. Luego, el rotor se gira un poco en el sentido de las agujas del reloj. Como se muestra en la imagen 3.

El siguiente paso (cuarta imagen) es con polaridad inversa conectada al voltaje (terminal A al polo negativo, terminal B al polo positivo). Es decir, el imán en el rotor girará en la dirección del campo magnético por bobina. El rotor utiliza la dirección más corta, que es nuevamente en el sentido de las agujas del reloj.

El último (cuarto) paso (quinta imagen) es igual que el segundo. El motor está nuevamente sin voltaje. La única diferencia es que la posición inicial del imán es opuesta, pero el rotor se moverá nuevamente a la dirección del volumen máximo de material. Esa es nuevamente la posición un poco en el sentido de las agujas del reloj.

Eso es todo ciclo, el primer paso sigue de nuevo. Para el movimiento del motor se entienden los pasos dos y cuatro como estables. Luego se transfiere mecánicamente a la velocidad de transferencia de la caja de cambios 1:30 a la posición del segundero del reloj.

Paso 2: Principio de funcionamiento (continuación)

Las figuras muestran la forma de onda de voltaje en los terminales del motor. Números significa todos los segundos. En realidad, los pulsos son mucho más pequeños en comparación con los espacios. Son unos milisegundos.

Paso 3: desmontaje práctico 1

Usé uno de los relojes de pared más baratos del mercado para un desmontaje práctico. Tienen pocas ventajas. Una es que ese precio es tan bajo, que podemos comprar algunos de ellos para experimentos. Debido a que la fabricación está fuertemente orientada al precio, no contienen soluciones inteligentes complicadas ni tornillos complicados. En realidad, no contienen tornillos, solo cierres de clic de plástico. Solo necesitamos herramientas mínimas. Por ejemplo, solo necesitamos un destornillador para sacar esos candados.

Para desmontar el reloj de pared necesitamos un destornillador de punta plana (o cualquier otro palillo), pinza para ropa y tapete de trabajo con bordes elevados (eso no es obligatorio, pero facilita la búsqueda de ruedas y otras piezas pequeñas).

Paso 4: Práctico desmontaje 2

En la parte trasera del reloj de pared se pueden encontrar tres pestillos. Dos superiores en la posición de los números 2 y 10 se pueden desbloquear y el cubreobjetos se puede abrir Cuando el vidrio está abierto, es posible sacar las manecillas del reloj. No es necesario marcar la posición de los mismos. Siempre los devolveremos a la posición 12:00:00 Cuando las manecillas del reloj estén apagadas, podemos desmontar el movimiento del reloj. Tiene dos pestillos (en la posición 6 y 12). Se recomienda el movimiento de extracción lo más recto posible, de lo contrario, el movimiento puede atascarse.

Paso 5: desmontaje práctico 3

Entonces es posible abrir el movimiento. Tiene tres pestillos. dos en las posiciones 3 y 9 horas y luego un tercero en las 6 horas. Cuando se abre, es suficiente quitar la rueda dentada transparente entre el motor y la caja de cambios y luego el piñón, que está conectado con el rotor del motor.

Paso 6: Práctico desmontaje 4

La bobina del motor y el estator se sujetan en un solo pestillo (a las 12 horas). No se sujeta a ningún riel de potencia, se aplica a los rieles de potencia solo presionando, luego quitarlo no es complicado. La bobina está roscada en el estator sin ningún soporte. Se puede quitar fácilmente.

Paso 7: desmontaje práctico 5

En la parte inferior de la bobina hay una pequeña placa de circuito impreso pegada, que contiene un CoB (Chip on Board) con seis salidas. Dos son para alimentación y terminan en almohadillas cuadradas más grandes a bordo para aplicar rieles de alimentación. dos salidas están conectadas al cristal. Por cierto, el cristal es de 32768Hz y se puede desoldar para uso futuro. Las dos últimas salidas están conectadas a la bobina. Me pareció más seguro cortar los rastros a bordo y soldar cables a las almohadillas existentes a bordo. Cuando intenté desoldar la bobina y conectar el cable directamente a la bobina, siempre arranco el cable de la bobina o dañé la bobina. Soldar nuevos cables a la placa es una posibilidad. Digamos que más primitivo. Un método más creativo es conectar la bobina a las almohadillas de alimentación y mantener los rieles de alimentación para la conexión a la caja de la batería. Entonces la electrónica se puede poner dentro de la caja de la batería.

Paso 8: Práctico desmontaje 6

La calidad de la soldadura se puede verificar usando un ohmímetro. La bobina tiene una resistividad de aproximadamente 200Ω. Una vez que todo está bien, volvemos a montar el reloj de pared. Por lo general, tiro los rieles eléctricos, luego tengo más lugar para mis nuevos cables. Las fotos se toman antes de lanzar los rieles eléctricos. Me olvido de tomar la siguiente foto cuando se eliminan.

Cuando termino de completar el movimiento, lo estoy probando usando el segundero. Pongo la mano en su eje y conecto algo de energía (usé una batería de moneda CR2032, pero también se puede usar AA 1, 5V). Simplemente conecte la energía en una polaridad a los cables y luego nuevamente con la polaridad opuesta. El reloj debe marcar y la manecilla debe moverse un segundo. Una vez que tenga problemas para completar el movimiento hacia atrás, debido a que los cables ocupan más lugar, simplemente gire la bobina y colóquela en el lado opuesto. Una vez que no se utilizan rieles eléctricos, no tiene ningún efecto en el movimiento del reloj. Como ya se dijo, al poner las manos hacia atrás hay que ponerlas apuntando a las 12:00:00. Debe tener la distancia correcta entre las manecillas de las horas y los minutos.

Paso 9: Ejemplos de uso del reloj de pared

La mayoría de ejemplos simples se enfocan en mostrar el tiempo, pero con varias modificaciones. Muy popular es la modificación que se llama "Reloj Vetinari". Señalando el libro de Terry Pratchett, donde lord Vetinari tiene un reloj de pared en su sala de espera, ese tic-tac irregular. Esa irregularidad inquieta a la gente que espera. La segunda aplicación popular es el "reloj sinusal". Significa reloj, que acelera y desacelera según la curva sinusal, entonces la gente tiene la sensación de que están navegando sobre olas. uno de mis favoritos es "la hora del almuerzo". Esa modificación significa que el reloj va un poco más rápido en el tiempo entre las 11 y las 12 horas (0,8 segundos), para almorzar antes; y un poco más lento durante la hora del almuerzo entre 12 y 13 horas (1, 2 segundos), para tener un poco más de tiempo para el almuerzo y recuperar el tiempo perdido.

Para la mayoría de esas modificaciones es suficiente usar el procesador más simple, usando la frecuencia de trabajo 32768Hz. Esta frecuencia es muy popular entre los fabricantes de relojes, porque es fácil hacer cristal con esta frecuencia, y no se puede dividir binariamente en segundos completos. El uso de esta frecuencia para el procesador tiene dos ventajas: podemos reciclar fácilmente el cristal del reloj; y los procesadores suelen tener un consumo mínimo en esta frecuencia. El consumo es algo que estamos resolviendo con tanta frecuencia cuando jugamos con el reloj de pared. Especialmente para poder alimentar el reloj con la batería más pequeña, el mayor tiempo posible. Como ya se dijo, la bobina tiene una resistividad de 200Ω y está diseñada para cca 1, 5V (una batería AA). Los procesadores más baratos suelen trabajar con un voltaje un poco mayor, pero con dos baterías (3V) funcionando todas. Uno de los procesadores más baratos de nuestro mercado es Microchip PIC12F629, o módulos Arduino muy populares. Luego mostraremos cómo usar ambas plataformas.

Paso 10: Ejemplos de uso del reloj de pared PIC

El procesador PIC12F629 tiene un voltaje de funcionamiento de 2,0 V a 5,5 V. El uso de dos "pilas mignon" = pilas AA (cca 3V) o dos acumuladores AA recargables AA (cca 2, 4V) es suficiente. Pero para la bobina de reloj es dos veces más de lo diseñado. Provoca como mínimo un aumento no deseado del consumo. Entonces es bueno agregar una resistencia en serie mínima, que creará un divisor de voltaje adecuado. El valor de la resistencia debe ser de aproximadamente 120 Ω para la potencia del acumulador o 200 Ω para la potencia de la batería calculada para carga resistiva pura. En la práctica, el valor puede ser un poco menor alrededor de 100 Ω. En teoría, una resistencia en serie con bobina es suficiente. Todavía tengo la tendencia, por alguna razón, a ver el motor como un dispositivo simétrico y luego poner una resistencia con media resistencia (47Ω o 51Ω) al lado de cada terminal de la bobina. Algunas construcciones agregan diodos de protección para evitar voltaje negativo al procesador cuando la bobina está desconectada. Por otro lado, la potencia de salida de las salidas del procesador es suficiente para conectar la bobina directamente al procesador sin ningún amplificador. El esquema completo para el procesador PIC12F629 se verá como se describe en la figura 15. Este esquema es válido para relojes sin elementos de control adicionales. Todavía tenemos disponible un pin de entrada / salida GP0 y una entrada solo GP3.

Paso 11: Ejemplos de uso del reloj de pared Arduino

Una vez que nos gustaría usar Arduino, podemos echar un vistazo a la hoja de datos del procesador ATmega328. Ese procesador tiene un voltaje de trabajo definido como 1.8V - 5.5V para frecuencias de hasta 4MHz y 2.7V - 5, 5V para frecuencias de hasta 10MHz. Tenemos que tener cuidado con una deficiencia de las placas Arduino. Ese defecto es la presencia de un regulador de voltaje a bordo. Una gran cantidad de reguladores de voltaje tienen problemas con el voltaje inverso. Este problema se describe mejor y ampliamente para el regulador 7805. Para nuestras necesidades, tenemos que usar una placa marcada como 3V3 (diseñada para alimentar 3.3V) especialmente porque esta placa contiene cristal de 8MHz y se puede alimentar a partir de 2, 7V (significa dos AA baterías). Entonces, el estabilizador usado no será 7805 sino su equivalente de 3.3V. Una vez que nos gustaría encender la placa sin usar estabilizador, tenemos dos opciones. La primera opción es conectar el voltaje a los pines "RAW" (o "Vin") y + 3V3 (o Vcc) juntos y creer que el estabilizador usado en su placa no tiene protección contra bajo voltaje. La segunda opción es simplemente eliminar el estabilizador. Para esto es bueno usar Arduino Pro Mini, siguiendo el esquema de referencia. Ese esquema contiene el puente SJ1 (en la figura 16 en círculo rojo) diseñado para desconectar el estabilizador interno. Desafortunadamente, la mayoría de los clones no contienen este puente.

Otra ventaja de Arduino Pro Mini es que no contiene convertidores adicionales, que pueden consumir electricidad durante el funcionamiento normal (que es una pequeña complicación durante la programación). Las placas Arduino están equipadas con procesadores cada vez más cómodos, que no tienen suficiente potencia para una sola salida. Entonces es bueno agregar un amplificador de salida pequeño como mínimo usando un par de transistores. El esquema básico para la energía de la batería se verá como se muestra en la figura.

Debido a que el entorno Arduino (el lenguaje "Wiring") tiene atributos de los sistemas operativos modernos (luego tiene problemas con la sincronización precisa), es bueno pensar en el uso de una fuente de reloj externa para Timer0 o Timer1. Significa entradas T0 y T1, están marcadas como 4 (T0) y 4 (T1). Se puede conectar un oscilador simple que usa cristal del reloj de pared a cualquiera de esas entradas. Depende de la precisión del reloj que le gustaría producir. La Figura 18 muestra tres posibilidades básicas. El primer esquema es muy económico en el significado de componentes usados. Proporciona una salida menos triangular, pero en el rango de voltaje completo, entonces es bueno para alimentar entradas CMOS. Segundo esquema usando inversores, pueden ser CMOS 4096 o TTL 74HC04. Los esquemas son menos similares entre sí, están en forma básica. Tercer esquema usando chip CMOS 4060, que permite la conexión directa de cristal (equivalente 74HC4060 usando el mismo esquema, pero diferentes valores de resistencias). La ventaja de este circuito es que contiene un divisor de 14 bits, entonces es posible decidir qué frecuencia se usa como entrada del temporizador.

La salida de este circuito se puede usar para la entrada T0 (pin 4 con marca Arduino) y luego usar Timer0 con entrada externa. Eso no es tan práctico, porque Timer0 se usa para funciones como delay (), milis () o micros (). La segunda opción es conectarlo a la entrada T1 (pin 5 con la marca Arduino) y usar Timer1 con entrada adicional. La siguiente opción es conectarlo para interrumpir la entrada INT0 (pin 2 en la marca Arduino) o INT1 (pin 3) y usar la función attachInterrupt () y la función de registro, que se llama periódicamente. Aquí hay un útil divisor ofrecido por los chips 4060, entonces la llamada no debe ser tan frecuente.

Paso 12: Reloj rápido para ferretería de ferrocarriles modelo

Por interés, presentaré unos esquemas útiles. Necesito conectar más relojes de pared al control común. Los relojes de pared están muy lejos unos de otros y, además, la característica del entorno es más industrial con mayor ruido electromagnético. Luego volví a los viejos sistemas de autobuses que usaban un voltaje mayor para la comunicación. Por supuesto que no resolví trabajar con batería, pero usé fuente de alimentación estabilizada de 12V. Amplifiqué la señal del procesador usando el controlador TC4427 (tiene buena disponibilidad y buen precio). Entonces llevo la señal 12V con una posible carga de hasta 0.5A. Agregué divisores de resistencia simples a los relojes esclavos (en la figura 18 marcados como R101 y R102; nuevamente entiendo que el motor es simétrico, eso no es necesario). Me gustaría aumentar la reducción de ruido llevando más corriente, luego usé dos resistencias de 100Ω. Para limitar el voltaje en la bobina del motor, se conecta el puente rectificador B101 en paralelo con la bobina. El puente tiene un lado de CC en corto, entonces representa dos pares de diodos antiparalelos. Dos diodos significan una caída de voltaje de aproximadamente 1,4 V, que está muy cerca del voltaje de funcionamiento normal del motor. Necesitamos antiparalelo porque la alimentación se alterna en una polaridad opuesta. La corriente total utilizada por un reloj de pared esclavo es entonces (12V - 1.5V) / (100Ω + 100Ω) = 53mA. Ese es un valor aceptable para evitar ruidos.

Aquí hay dos interruptores en los esquemas, son para controlar funciones adicionales del reloj de pared (multiplicador de velocidad en el caso de modelos ferroviarios). El reloj de la hija tiene una característica más interesante. Se conectan mediante dos conectores banana de 4 mm. Están sosteniendo un reloj de pared en la pared. Es útil especialmente una vez que desea establecer un tiempo específico antes de comenzar a usar, simplemente puede desenchufarlos y luego volver a enchufarlos (el bloque de madera se fija a la pared). Si desea crear el "Big Ben", necesita una caja de madera con cuatro pares de enchufes. Esa caja se puede usar como almacenamiento de relojes cuando no se usan.

Paso 13: software

Desde el punto de vista del software, la situación es relativamente simple. Describamos la realización en el chip PIC12F629 usando cristal 32768Hz (reciclado del reloj original). El procesador tiene un ciclo de instrucción de cuatro ciclos de oscilador. Una vez que usemos la fuente de reloj interno para cualquier temporizador, significa ciclos de instrucción (llamados fosc / 4). Tenemos disponible por ejemplo Timer0. La frecuencia de entrada del temporizador será 32768/4 = 8192Hz. El temporizador es de ocho bits (256 pasos) y lo mantenemos desbordado sin barreras. Nos centraremos solo en el evento de desbordamiento del temporizador. El evento ocurrirá con la frecuencia 8192/256 = 32Hz. Luego, cuando nos gustaría tener pulsos de un segundo, tenemos que crear pulsos cada 32 desbordamientos de Timer0. Uno nos gustaría que el reloj funcione, por ejemplo, cuatro veces más rápido, luego necesitamos 32/4 = 8 desbordamiento para el pulso. Para los casos en los que estamos interesados en diseñar un reloj irregular pero preciso, tenemos que tener una suma de desbordamientos para unos pocos pulsos igual que 32 × número de pulsos. Entonces podemos buscar en una matriz de relojes irregulares como esta: [20, 40, 30, 38]. Entonces la suma es 128, que es lo mismo que 32 × 4. Para reloj sinusal, por ejemplo [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). Para nuestro reloj usaremos dos entradas libres como definición de divisor para ejecución rápida. La tabla con divisores de velocidades se almacena en la memoria EEPROM. La parte principal del programa puede verse así:

Bucle principal:

btfss INTCON, T0IF ir a MainLoop; espere Timer0 bcf INTCON, T0IF incf CLKCNT, f btfss SW_STOP; si el interruptor STOP está activo, clrf CLKCNT; borrar el contador cada vez que btfsc SW_FAST; si no se presiona el botón rápido, vaya a NormalTime; calcular solo el tiempo normal movf FCLK, w xorwf CLKCNT, w btfsc STATUS, Z; si FCLK y CLKCNT son lo mismo, vaya a SendPulse NormalTime: movf CLKCNT, w y lw 0xE0; bits 7, 6, 5 btfsc ESTADO, Z; si CLKCNT> = 32 ir a MainLoop ir a SendPulse

Programe usando la función SendPulse, esa función crea el pulso del motor por sí misma. La función cuenta pulsos pares / impares y en base a eso crea pulsos en una o segunda salida. Función usando constante ENERGISE_TIME. Esa constante define el tiempo durante el cual se energiza la bobina del motor. Por tanto, tiene un gran impacto en el consumo. Una vez que es tan pequeño, el motor no puede terminar el paso y, a veces, ese segundo se pierde (generalmente cuando el segundero gira alrededor del número 9, cuando va "hacia arriba").

SendPulse:

incf POLARITY, f clrf CLKCNT btfss POLARITY, 0 goto SendPulseB SendPulseA: bsf OUT_A goto SendPulseE SendPulseB: bsf OUT_B; goto SendPulseE SendPulseE: movlw 0x50 movwf ECNT SendPulse OUTPulse bLoop_Goto:

Los códigos fuente completos se pueden descargar al final de la página www.fucik.name. La situación con Arduino es un poco complicada, ya que Arduino usa un lenguaje de programación superior y usa un cristal propio de 8MHz, tenemos que tener cuidado con las funciones que estamos usando. El uso del retardo clásico () es poco arriesgado (calcula el tiempo desde el inicio de la función). Se obtendrán mejores resultados con el uso de bibliotecas como Timer1. Muchos proyectos de Arduino cuentan con dispositivos RTC externos como PCF8563, DS1302, etc.

Paso 14: Curiosidades

Este sistema de uso del motor de reloj de pared se entiende como muy básico. Existen muchas mejoras. Por ejemplo, basado en la medición de Back EMF (energía eléctrica producida por el movimiento del imán del rotor). Entonces la electrónica es capaz de reconocer, una vez que la mano se mueve y si no, entonces repite rápidamente el pulso o actualiza el valor de "ENERGISE_TIME". La curiosidad más útil es el "paso inverso". Según la descripción, parece que ese motor está diseñado para una sola dirección de rotación y no se puede cambiar. Pero como se presenta en los videos adjuntos, el cambio de dirección es posible. El principio es simple. Volvamos al principio motor. Imagínese, ese motor está en estado estable de segundo paso (Figura 3). Una vez que conectemos el voltaje como se presenta en el primer paso (Figura 2), el motor iniciará lógicamente la rotación en dirección inversa. Una vez que el pulso sea lo suficientemente corto y terminará un poco antes de que el motor suba a un estado estable, lógicamente parpadeará un poco. Una vez en el momento de ese parpadeo, llegará el siguiente pulso de voltaje como se describe en el tercer estado (Figura 4), luego el motor continuará con la dirección en la que comenzó, es decir, en la dirección inversa. Un pequeño problema es cómo determinar la duración del primer pulso y una vez para crear cierta distancia entre el primer y el segundo pulso. Y lo peor es que esas constantes varían para cada movimiento del reloj y en ocasiones varían según los casos, que las manecillas van "hacia abajo" (alrededor del número 3) o hacia arriba (alrededor del número 9) y también en posiciones neutrales (alrededor de los números 12 y 6).. Para el caso presentado en video, utilicé valores y algoritmo como se presenta en el siguiente código:

#define OUT_A_SET 0x02; config para establecer un b claro

#define OUT_B_SET 0x04; config para out b establezca un #define ENERGISE_TIME 0x30 #define REVERT_TIME 0x06 SendPulse: incf POLARITY, f clrf CLKCNT btfss POLARITY, 0 goto SendPulseB SendPulseA: movlw REVERT_TIME movwf ECNT_SALW; comenzar con el pulso B movwf GPIO RevPulseLoopA:; espera breve decfsz ECNT, f goto RevPulseLoopA movlw OUT_A_SET; luego pulse A movwf GPIO goto SendPulseE SendPulseB: movlw REVERT_TIME movwf ECNT movlw OUT_A_SET; comenzar con el pulso A movwf GPIO RevPulseLoopB:; espera breve decfsz ECNT, f goto RevPulseLoopB movlw OUT_B_SET; luego pulse B movwf GPIO; vaya a SendPulseE SendPulseE: movlw ENERGISE_TIME movwf ECNT SendPulseLoop: decfsz ECNT, f goto SendPulseLoop bcf OUT_A bcf OUT_B goto MainLoop

El uso de pasos inversos aumenta la posibilidad de jugar con el reloj de pared. En ocasiones podemos encontrar relojes de pared, que tienen movimiento suave de segundero. No tenemos miedo de esos relojes, están usando trucos simples. El motor en sí es el mismo que el que se describe aquí, solo que la relación de transmisión es mayor (generalmente 8: 1 más) y el motor gira más rápido (generalmente 8 veces más rápido), lo que hace que el efecto de un movimiento suave. Una vez que decida modificar esos relojes de pared, no olvide calcular el multiplicador solicitado.