Игра с ръчен стенен часовник: 14 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

Електронният ръчен стенен часовник (кварц с търговска маркировка) в днешно време не е нищо особено. Може да се купи в много магазини. В някои от тях те са изключително евтини; с цена около 2 евро (50 крони). Тази ниска цена може да бъде мотивация да ги разгледате по -отблизо. Тогава разпознах, че те могат да бъдат интересна играчка за начинаещи в електрониката, които нямат толкова много ресурси и които се интересуват главно от програмиране. Но бих искал да представя собственото си развитие на другите. Тъй като евтиният стенен часовник е много толерантен към експерименти и опити за начинаещи, реших да напиша тази статия, където бих искал да представя основните идеи.

Стъпка 1: Принцип на работа

Лесно е да се разпознае, че часовникът използва за движение някакъв стъпков двигател. Този, който вече разчупи някои часовници, призна, че това е само една бобина вместо две в обичайния стъпков двигател. В този случай говорим за "еднофазен" или "еднополюсен" стъпков двигател. (Това име не се използва толкова често, това е най -вече аналогично извеждане за маркиране, използвано за други стъпкови двигатели с пълен стек). Този, който вече е започнал да мисли за принципа на работа, трябва да зададе въпрос, как е възможно този двигател винаги да се върти в правилната посока. За описание на принципа на работа е полезно следното изображение, което показва по -стари видове двигатели.

На първото изображение се вижда една бобина с клеми А и В, сив статор и червено-син ротор. Роторът е направен от постоянен магнит, поради което е маркиран с цвят, да бъде видим, в каква посока е намагнетизиран (не е толкова важно, кой полюс е север и какво е юг). На статора можете да видите два "канала" близо до ротора. Те са много важни за принципа на работа. Моторът работи в четири стъпки. Ще опишем всяка стъпка, използвайки четири изображения.

По време на първата стъпка (второ изображение) е под напрежение на двигателя, че клема А е свързана към положителния полюс, а клема В е свързана към отрицателния полюс. Той прави магнитен поток, например по посока на стрелката. Роторът ще спре в позиция, която ще съответства на магнитния поток.

Втората стъпка следва след прекъсване на захранването. След това магнитният поток в статора се спира и магнитът има тенденция да се върти в позиция, поляризацията му е в посока на максималния обем на магнитния мек материал на статора. И тук са от решаващо значение тези два канала. Те сочат към малко отклонение на максималния обем. След това роторът се завърта малко по посока на часовниковата стрелка. Както е показано на снимка 3.

Следващата стъпка (четвърто изображение) е с напрежение, свързано с обратна полярност (клема А към отрицателен полюс, клема В към положителен полюс). Това означава, че магнитът в ротора ще се върти по посока на магнитното поле чрез бобина. Роторът използва най -късата посока, която отново е по часовниковата стрелка.

Последната (четвърта) стъпка (петото изображение) е същата като втората. Двигателят отново е без напрежение. Само една разлика е, че началната позиция на магнита е противоположна, но роторът отново ще се премести в посоката на максималния обем на материала. Това отново е малко по посока на часовниковата стрелка.

Това е целият цикъл, първата стъпка следва отново. За двигателното движение стъпките две и четири се разбират като стабилни. След това механично се прехвърля към с скоростна кутия 1:30 скорост на прехвърляне в позиция на втората стрелка на часовника.

Стъпка 2: Принцип на работа Напр

Фигурите показват формата на вълната на напрежението на клемите на двигателя. Числата означават всички секунди. В действителност импулсите са много по -малки в сравнение с пространствата. Те са за такива от милисекунди.

Стъпка 3: Практическо разглобяване 1

Използвах един от най -евтините стенни часовници на пазара за практическо разглобяване. Те имат малко плюсове. Едното е, че цената е толкова ниска, че можем да купим малко от тях за експерименти. Тъй като производството е силно ориентирано към цената, те не съдържат никакви сложни интелигентни решения, както и сложни винтове. В действителност те не съдържат никакви винтове, а само пластмасови ключалки. Нуждаем се само от минимални инструменти. Например, имаме нужда от отвертка само за изваждане на тези брави.

За разглобяване на стенен часовник се нуждаем от отвертка с плосък връх (или всяка друга пръчка), клечка за дрехи и работна постелка с повдигнати ръбове (това не е задължително, но прави търсенето на колела и други малки части по -лесно).

Стъпка 4: Практическо разглобяване 2

На гърба на стенния часовник има три ключалки. Две горни в позиция 2 и 10 могат да се отключат и капакът да се отвори. Когато стъклото е отворено, е възможно да се свалят стрелките на часовника. Не е необходимо да се отбелязва тяхната позиция. Винаги ще ги връщаме в позиция 12:00:00 Когато стрелките на часовника са изключени, можем да демонтираме движението на часовника. Той има две ключалки (на позиция 6 и 12). Препоръчително е да издърпате движението възможно най -изправено, в противен случай движението може да се задръсти.

Стъпка 5: Практическо разглобяване 3

Тогава е възможно да се отвори движение. Има три ключалки. два на позиции 3 и 9 часа и след това трети на 6 часа. При отваряне е достатъчно да се премахне прозрачен зъбен колело между двигателя и скоростната кутия и след това зъбно колело, което е свързано с ротора на двигателя.

Стъпка 6: Практическо разглобяване 4

Бобината на двигателя и статора се държат само на една ключалка (на 12 часа). Той не държи никакви релси, той се прилага за релси само чрез натискане, след което отстраняването не е сложно. Намотката е с резба на статора без държач. Може лесно да се свали.

Стъпка 7: Практическо разглобяване 5

От долната страна на бобината е залепена малка печатна платка, която съдържа един CoB (чип на борда) с шест изхода. Два са за захранване и са завършени на по -големи квадратни подложки на борда за прилагане на релси за захранване. два изхода са свързани към кристал. Между другото, кристалът е 32768Hz и може да бъде споен за бъдеща употреба. Последните два изхода са свързани към бобина. Намирах за по -безопасно да отрежа следи на борда и да запоя проводници към съществуващите подложки на борда. Когато се опитвах да разпая бобината и да свържа проводника директно към бобината, винаги откъсвам проводника на бобината или повреждам бобината. Запояването на нови проводници към борда е една от възможностите. Да кажем, че по -примитивно. По -креативен метод е да свържете бобина към захранващи подложки и да запазите захранващи релси за свързване към кутията на батерията. След това електрониката може да бъде поставена в кутията на батерията.

Стъпка 8: Практическо разглобяване 6

Качеството на запояване може да се провери с помощта на омметър. Бобината има съпротивление около 200Ω. След като всичко е наред, ние сглобяваме стенния часовник назад. Обикновено изхвърлям захранващи шини, след което имам повече място за новите си проводници. Снимките се правят преди захранването на релсите. Забравям да направя следващата снимка, когато бъдат премахнати.

Когато приключа с завършването на движението, го тествам с помощта на втората стрелка на часовника. Поставям ръката към оста си и свързвам малко захранване (използвах монетна батерия CR2032, но може да се използва и AA 1, 5V). Просто свържете захранването в една полярност към проводниците и след това отново с противоположна полярност. Часовникът трябва да тиктака и стрелката трябва да се движи с една секунда. След като имате проблеми с завършването на движението назад, тъй като проводниците заемат повече място, просто завъртете намотката и я поставете от другата страна. След като не използвате захранващи релси, това няма ефект върху движението на часовника. Както вече беше посочено, когато поставяте ръце назад, трябва да ги насочите към 12:00:00. То трябва да има правилно разстояние между часовата и минутната стрелка.

Стъпка 9: Примери за използване на стенен часовник

Повечето прости примери, фокусирани върху показване на времето, но с различни модификации. Много популярна е модификацията, наречена "Часовник Vetinari". Посочвайки към книгата на Тери Пратчет, където лорд Ветинари има стенен часовник в чакалнята си, това тиктакане нередовно. Тази нередност смущава чакащите хора. Второто популярно приложение е „синусов часовник“. Това означава часовник, който ускорява и забавя въз основа на синусовата крива, след това хората имат чувство, те плават на вълни. едно от любимите ми е „време за обяд“. Това изменение означава, че часовникът върви малко по -бързо във времето между 11 до 12 часа (0,8 секунди), за да обядва по -рано; и малко по -бавно по време на обяд между 12 до 13 часа (1, 2 сек), за да имате малко повече време за обяд и да компенсирате загубеното.

За повечето от тези модификации е достатъчно да се използва най -простият процесор, използващ работна честота 32768Hz. Тази честота е много популярна сред производителите на часовници, защото е лесно да се направи кристал с тази честота и тя забранява лесното двоично разделяне на пълни секунди. Използването на тази честота за процесор има две предимства: можем лесно да повторим цикъла на кристала от часовника; и процесорите обикновено имат минимална консумация на тази честота. Консумацията е нещо, което решаваме толкова често, когато си играем със стенен часовник. Особено за да може часовникът да се захранва от най -малката батерия, колкото е възможно по -дълго. Както вече беше посочено, бобината има съпротивление 200Ω и е предназначена за cca 1, 5V (една батерия AA). Най -евтините процесори обикновено работят с малко по -голямо напрежение, но с две батерии (3V), които работят всички. Един от най -евтините процесори на нашия пазар е Microchip PIC12F629 или много популярни модули Arduino. След това ще покажем как да използвате и двете платформи.

Стъпка 10: Примери за използване на стенен часовник PIC

Процесорът PIC12F629 има работно напрежение 2.0V - 5.5V. Използването на две "миньонни батерии" = AA клетки (cca 3V) или два AA акумулаторни акумулатора AA (cca 2, 4V) е достатъчно. Но за намотка на часовника тя е два пъти повече от проектираната. Това води до минимално нежелано увеличение на потреблението. След това е добре да добавите минимален сериен резистор, който ще създаде подходящ делител на напрежение. Стойността на резистора трябва да бъде около 120Ω за мощността на акумулатора или 200Ω за мощността на батерията, изчислена за чисто резистивно натоварване. На практика стойността може да бъде малко по -малка около 100Ω. На теория един резистор последователно с бобина е достатъчен. Все още имам тенденция от някаква причина да виждам двигателя като симетрично устройство и след това да поставя резистор с половин съпротивление (47Ω или 51Ω) до всеки терминал на бобината. Някои конструкции добавят защитни диоди, за да се избегне отрицателно напрежение на процесора, когато бобината е изключена. От друга страна, изходната мощност на процесорните изходи е достатъчна за свързване на бобината директно към процесора без никакъв усилвател. Пълната схема на процесора PIC12F629 ще изглежда както е описано на фигура 15. Тази схема е валидна за часовници без допълнителни елементи за управление. Все още имаме на разположение един вход/изход щифт GP0 и един вход само GP3.

Стъпка 11: Примери за използване на стенен часовник Arduino

След като искаме да използваме Arduino, можем да разгледаме листа с данни за процесор ATmega328. Процесорите имат работно напрежение, определено като 1.8V - 5.5V за честота до 4MHz и 2.7V - 5, 5V за честота до 10MHz. Трябва да бъдем внимателни с един недостатък на дъските на Arduino. Този недостатък е наличието на регулатор на напрежението на борда. Голямо количество регулатори на напрежение имат проблеми с обратното напрежение. Този проблем е широко и най -добре описан за регулатор 7805. За нашите нужди трябва да използваме платка, маркирана като 3V3 (предназначена за захранване на 3.3V), особено защото тази платка съдържа кристал 8MHz и може да се захранва от 2, 7V (това означава две AA батерии). Тогава използваният стабилизатор няма да бъде 7805, а неговият 3.3V еквивалент. След като искаме да захранваме борда без да използваме стабилизатор, имаме две възможности. Първият вариант е да свържете напрежение към щифтове "RAW" (или "Vin") и +3V3 (или Vcc) заедно и да повярвате, че стабилизаторът, използван на вашата платка, няма защита от под напрежение. Вторият вариант е просто премахване на стабилизатора. За това е добре да използвате Arduino Pro Mini, като следвате референтната схема. Тази схема съдържа джъмпер SJ1 (на фигура 16 в червен кръг), предназначен за изключване на вътрешния стабилизатор. За съжаление повечето клонинги не съдържат този джъмпер.

Друго предимство на Arduino Pro Mini е, че не съдържа никакви допълнителни преобразуватели, които могат да консумират електроенергия по време на нормално изпълнение (това е малко усложнение по време на програмиране). Платките Arduino са оборудвани с все по -удобни процесори, които нямат достатъчно мощност за единичен изход. Тогава е добре да добавите минимум малък изходен усилвател, като използвате двойка транзистори. Основната схема на захранването на батерията ще изглежда така, както е показано на фигурата.

Тъй като средата Arduino (езикът "Wiring") има атрибути на съвременните операционни системи (след това имат проблеми с точното синхронизиране), добре е да помислите за използването на външен източник на часовник за Timer0 или Timer1. Това означава входове T0 и T1, те са маркирани като 4 (T0) и 4 (T1). Прост осцилатор, използващ кристал от стенния часовник, може да бъде свързан към всеки от тези входове. Зависи колко точен часовник бихте искали да произведете. Фигура 18 показва три основни възможности. Първата схема е много икономична по отношение на използваните компоненти. Той осигурява по -малко триъгълен изход, но в пълен диапазон на напрежение, тогава е добър за захранване на CMOS входове. Втора схема, използваща инвертори, те могат да бъдат CMOS 4096 или TTL 74HC04. Схемите са по -малко сходни помежду си, те са в основна форма. Трета схема, използваща чип CMOS 4060, който позволява директно свързване на кристал (еквивалент 74HC4060, използващ същата схема, но различни стойности на резистори). Предимството на тази схема е, че съдържа 14 -битов делител, след което е възможно да се реши коя честота да се използва като вход за таймер.

Изходът от тази верига може да се използва за вход T0 (щифт 4 с маркировка Arduino) и след това да се използва Timer0 с външен вход. Това не е толкова практично, защото Timer0 се използва за функции като delay (), milis () или micros (). Вторият вариант е да го свържете към вход T1 (щифт 5 с маркировка Arduino) и да използвате Timer1 с допълнителен вход. Следващата опция е да го свържете към прекъсващ вход INT0 (пин 2 в маркировката Arduino) или INT1 (пин 3) и да използвате функцията attachInterrupt () и регистрационната функция, която периодично се извиква. Тук е полезен разделител, предлаган от чипове 4060, тогава обаждането не трябва да е толкова често.

Стъпка 12: Бърз часовник за хардуер на железопътни модели

За интерес ще представя една полезна схема. Трябва да свържа повече стенни часовници към общ контрол. Стенните часовници са далеч един от друг и отгоре характеристиката на околната среда е по -индустриална с по -голям електромагнитен шум. След това се върнах към старите системи на автобуси, използвайки по -голямо напрежение за комуникация. Разбира се, не реших работата с батерията, но използвах стабилизирано захранване 12V. Усилвах сигнала от процесора с помощта на драйвер TC4427 (има добра наличност и добра цена). Тогава пренасям сигнал 12V с възможно натоварване до 0.5A. Добавих прости резисторни разделители към подчинените часовници (на фигура 18, обозначени като R101 и R102; Отново разбирам двигателя като симетричен, това не е необходимо). Бих искал да увелича намаляването на шума, като нося повече ток, след това използвах два резистора 100Ω. За ограничаване на напрежението на бобината на двигателя е свързан паралелно с бобината мостов токоизправител B101. Мостът има къса страна на DC, тогава той представлява две двойки антипаралелни диоди. Два диода означават отпадане на напрежението около 1.4V, което е много близко до нормалното работно напрежение за двигателя. Нуждаем се от антипаралел, защото захранването се редува в една и противоположна полярност. Общият ток, използван от един подчинен часовник, е (12V - 1.5V) / (100Ω + 100Ω) = 53mA. Това е допустима стойност, за да се избегне шум.

Ето два превключвателя на схеми, те са за управление на допълнителни функции на стенния часовник (мултипликатор на скоростта в случай на железопътни модели). Дъщерният часовник има още една интересна функция. Те са свързани чрез два 4 мм бананови конектора. Те държат стенен часовник на стената. Това е полезно, особено когато искате да зададете определено време преди да започнете да използвате, можете просто да ги изключите и след това да ги включите отново (дървеният блок е фиксиран към стената). Ако искате да създадете "Биг Бен", имате нужда от дървена кутия с четири чифта гнезда. Тази кутия може да се използва като място за съхранение на часовници, когато те не се използват.

Стъпка 13: Софтуер

От софтуерна гледна точка ситуацията е относително проста. Нека опишем реализацията на чип PIC12F629, използвайки кристал 32768Hz (рециклиран от оригиналния часовник). Процесорът има един цикъл на инструкция с четири цикъла на осцилатора. След като ще използваме вътрешен източник на часовник за всеки таймер, това означава цикли на инструкции (наречени fosc/4). Имаме на разположение например Timer0. Входната честота на таймера ще бъде 32768 /4 = 8192Hz. Таймерът е осем битов (256 стъпки) и го поддържаме препълнен без никакви бариери. Ще се съсредоточим само за събитие за препълване на таймера. Събитието ще се случи с честота 8192 /256 = 32Hz. След това, когато искаме да имаме импулси за една секунда, трябва да създаваме импулс на всеки 32 преливане на Timer0. Един, който бихме искали часовникът да работи например четири пъти по -бързо, тогава имаме нужда от 32 /4 = 8 преливане за импулс. За случаите, в които се интересуваме да проектираме часовник с неправилни, но точни, трябва да имаме сума от преливания за няколко импулса, същият като 32 × брой импулси. Тогава можем да намерим в матрица с нередовни часовници по следния начин: [20, 40, 30, 38]. Тогава сумата е 128, това е същото като 32 × 4. За синусовия часовник например [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). За нашия часовник ще използваме два безплатни входа като дефиниция на разделител за бързо изпълнение. Таблични dith разделители за скорости се съхраняват в паметта на EEPROM. Основната част от програмата може да изглежда така:

MainLoop:

btfss INTCON, T0IF goto MainLoop; изчакайте Timer0 bcf INTCON, T0IF incf CLKCNT, f btfss SW_STOP; ако превключвателят STOP е активен, clrf CLKCNT; изчистване на брояча всеки път btfsc SW_FAST; ако бутонът за бързо не е натиснат, преминете към NormalTime; изчислява само нормално време movf FCLK, w xorwf CLKCNT, w btfsc СТАТУТ, Z; ако FCLK и CLKCNT са еднакви, отидете на SendPulse NormalTime: movf CLKCNT, w andlw 0xE0; битове 7, 6, 5 btfsc СЪСТОЯНИЕ, Z; ако CLKCNT> = 32 отидете на MainLoop отидете на SendPulse

Програмата използва функция SendPulse, която създава самия импулс на двигателя. Брой функции нечетен/четен импулс и въз основа на това създава импулс на един или втори изход. Функция, използваща постоянен ENERGISE_TIME. Това постоянно време за дефиниране през това време се захранва с бобина на двигателя. По този начин той има голямо влияние върху потреблението. След като е толкова малък, двигателят не може да завърши стъпка и понякога се случва, че втората се губи (обикновено, когато втора ръка обикаля номер 9, когато върви "нагоре").

SendPulse:

incf POLARITY, f clrf CLKCNT btfss POLARITY, 0 goto SendPulseB SendPulseA: bsf OUT_B goto SendPulseE SendPulseE: movlw 0x50 movwf ECNop bt

Пълните изходни кодове могат да бъдат изтеглени в края на страницата www.fucik.name. Ситуацията с Arduino е малко сложна, тъй като Arduino използва по -висок език за програмиране и използва собствен кристал 8MHz, трябва да внимаваме какви функции използваме. Използването на класическо забавяне () е малко рисковано (изчислява времето от началото на функцията). По -добри резултати ще имат използването на библиотеки като Timer1. Много проекти на Arduino се считат за външни RTC устройства като PCF8563, DS1302 и др.

Стъпка 14: Любопитства

Тази система за използване на мотор за стенен часовник се разбира като много основна. Съществуват много подобрения. Например въз основа на измерване на обратната ЕМП (електрическа енергия, генерирана от движението на роторния магнит). Тогава електронният може да разпознае, след като ръката се движи и ако не, тогава бързо повторете импулса или актуализирайте стойността на "ENERGISE_TIME". по -полезно любопитство е "обратната стъпка". Въз основа на описанието изглежда, че този двигател е проектиран само за една посока на въртене и не може да се променя. Но както е представено в приложените видеоклипове, промяната на посоката е възможна. Принципът е прост. Нека се върнем към моторния принцип. Представете си, че двигателят е в стабилно състояние на втората стъпка (Фигура 3). След като свържем напрежението, както е представено в първата стъпка (Фигура 2), двигателят логически ще започне да се върти в обратна посока. След като импулсът ще бъде достатъчно кратък и ще приключи малко преди двигателят да повиши стабилното си състояние, той логично ще премигне малко. След като по време на това трептене ще пристигне следващ импулс на напрежение, както е описано в трето състояние (Фигура 4), тогава двигателят ще продължи с посоката, както е стартирал, това означава в обратна посока. Малък проблем е как да се определи продължителността на първия импулс и веднъж да се създаде известно разстояние между първия и втория импулс. И най -лошото е, че тези константи варират за всяко движение на часовника и понякога варират за случаите, че стрелките отиват "надолу" (около номер 3) или нагоре (около номер 9), както и в неутрални позиции (около числа 12 и 6). За случая, представен на видео, използвах стойности и алгоритъм, представен в следния код:

#дефинирайте OUT_A_SET 0x02; конфигурация за изложение b ясно

#define OUT_B_SET 0x04; конфигурация за изход b задайте ясен #define ENERGISE_TIME 0x30 #define REVERT_TIME 0x06 SendPulse: incf ПОЛЯРНОСТ, f clrf CLKCNT btfss ПОЛЯРНОСТ, 0 goto SendPulseB SendPulseA: movlw REVERT_TIME movwV OWVT ECO; започнете с импулс B movwf GPIO RevPulseLoopA:; кратко време за изчакване decfsz ECNT, f goto RevPulseLoopA movlw OUT_A_SET; след това импулс A movwf GPIO отидете SendPulseE SendPulseB: movlw REVERT_TIME movwf ECNT movlw OUT_A_SET; започнете с импулс A movwf GPIO RevPulseLoopB:; кратко време за изчакване decfsz ECNT, f goto RevPulseLoopB movlw OUT_B_SET; след това импулс B movwf GPIO; goto SendPulseE SendPulseE: movlw ENERGISE_TIME movwf ECNT SendPulseLoop: decfsz ECNT, f goto SendPulseLoop bcf OUT_A bcf OUT_B goto MainLoop

Използването на обратни стъпки увеличава възможността за игра със стенен часовник. Можем да намерим понякога стенен часовник, който има плавно движение на втора ръка. Ние не се страхуваме от тези часовници, те използват прост трик. Самият двигател е същият като описания тук, само предавателното отношение е по -голямо (обикновено 8: 1 повече) и моторът се върти по -бързо (обикновено 8 пъти по -бързо), което прави ефект на плавно движение. След като решите да промените тези стенен часовник, не забравяйте да изчислите искания множител.