CLEPCIDRE: un orologio digitale per bottiglie di sidro: 8 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Prima di immergermi nella descrizione dell'oggetto ho bisogno di spiegare il contesto in cui è stato progettato e costruito. Mia moglie è un'artista e lavora fondamentalmente con l'argilla, come ceramista, ma anche con altri materiali come legno, ardesia o vetro. Nella maggior parte delle sue opere cerca di mostrare le tracce lasciate dal tempo sugli oggetti e spesso incorpora materiali trovati in natura come pezzi di legno sulla spiaggia, così da "dare una seconda vita agli oggetti usati". Sua sorella e suo cognato erano soliti produrre il loro sidro (in Normandia) e hanno ancora centinaia di bottiglie di sidro che dormono sotto uno spesso strato di polvere nella loro vecchia pressa. Questo è stato più che sufficiente per innescare la prossima idea di creazione di mia moglie: "un orologio per bottiglie di sidro". Il legame con il tempo è evidente: quelle bottiglie hanno avuto un passato glorioso e ora dovrebbero essere testimoni del tempo che passa e insieme formano un orologio. Così un anno fa mi ha chiesto: "Cara, puoi farmi un orologio con le lampade sotto 12 bottiglie di sidro? Io appiattirò le bottiglie nel mio forno e tu pensa al resto: il supporto di legno, -un pallet-, le lampade e tutta la circuiteria elettronica! Voglio visualizzare l'ora ma non sempre, anche i led dovrebbero lampeggiare casualmente, è possibile? Dovresti trovare anche la soluzione per fissare le bottiglie sul bancale". L'orologio dovrebbe essere pronto entro un mese…

Il "nick name" di quest'opera d'arte è "CLEPCIDRE" che sta (in francese) per "Circuit Lumineux Electronique Programmé sous bouteilles de CIDRE", è un cenno al nome "CLEPSYDRE" che designa un orologio ad acqua inventato dagli egiziani. Mia moglie lo chiama "Les Bouteilles de Ma Soeur" (le bottiglie di mia sorella).

Immagine #1: La scorta di bottiglie di sidro di mia cognata

Immagine n. 2: il documento di specifica originale

Foto dalla 3 alla 6: viste dell'orologio

CLEPCIDRE è stato esposto durante due mostre lo scorso anno, la prima al "Greniers à Sel" di Honfleur (Calvados, Normandia, Francia) nell'aprile 2019 (foto n. 6) e la seconda a Touques (Calvados, Normandia, Francia) nel giugno 2019.

Forniture

• Dodici bottiglie di sidro (puoi provare altri tipi di bottiglia: champagne, spumante, … ma senza garanzia)
• Un forno per ceramica (abbiamo usato un forno cilindrico a caricamento dall'alto da 5kVA)
• Un pallet (tavole da bordo a bordo, dimensioni: +/- 107 cm x 77 cm x 16 cm)
• Alcune assi di legno (per chiudere le sponde del pallet)
• 24 led bianchi ad alta potenza diametro 10mm (es.
• Una scheda Arduino: Uno o Leonardo OK, una scheda più piccola potrebbe andare bene, Mega è un po' eccessivo
• Due alimentatori (5V per Leds e 12V per schede Arduino e RTC, anche se 5V per Arduino dovrebbero essere OK ma non testati)
• Una scheda RTC (ho usato un Adafruit DS1307 ma consiglierei un RTC con compensazione della temperatura più accurato basato su DS3231; il DS1307 cambia 2 - 3 secondi ogni giorno e necessita di regolari regolazioni)
• 4 registri a scorrimento 74HC595 singoli elementi (16 pin DIL CMOS IC) o già montati su scheda (ad es. SparkFun Shift Register Breakout - 74HC595 ref BOB-10680)
• Schede di prova epossidiche (50*100 mm, fori in gruppo di 3 e schede per uso generale con bande di rame lineari)
• Punta diamantata (6 o 8 mm) e tasselli in legno (6 o 8 mm)
• 24 resistenze da 1/4 W (220)
• Collare di fissaggio per tappo meccanico della bottiglia (reperibile in ferramenta o su Internet)
• Colla, fili, guaina termoretraibile, utensili,.., viti,.., saldatore (18W OK)

Passaggio 1: la cosa più semplice: chiudere i lati del pallet

Prova a trovare un pallet di legno (ne ho trovato uno di circa 107 cm*77 cm). Non dovrebbe esserci alcuno spazio tra le assi di legno.

Fissare 4 assi di legno con viti, una per lato. Tagliare le 4 tavole da quelle più grandi per ottenere le giuste dimensioni.

Dato che potrebbero esserci (e probabilmente ci saranno) pedane, consiglio di tagliarle come mostrato in foto, questo libererà l'accesso alle pedane inferiori e permetterà di praticare i fori per i led.

Successivamente, quando le posizioni dei led saranno state segnate, sarà necessario forare in due fasi, prima il foro con il diametro del led (9 - 10mm) e poi il foro più grande (diciamo 2cm) per ottenere lo spessore corrispondente all'altezza del led (è probabile che lo spessore della tavola di legno sia maggiore dell'altezza del led)

Figura 1: Il pallet visto dal basso con i fori dei led già praticati

Passaggio 2: appiattire le bottiglie di sidro

La nostra capacità del forno permette il riscaldamento di 6 bottiglie alla volta su 3 livelli. Quando si posizionano le bottiglie assicurarsi che le bottiglie non siano a contatto tra loro, né con le pareti del forno né con le colonne.

Puoi essere creativo e aggiungere, ad esempio, perline di vetro o conchiglie o piccole pietre nelle bottiglie. Potete inserire anche un supporto in terracotta sotto le bottiglie, queste ultime prenderanno la forma del supporto durante il riscaldamento.

La cosa più importante in questo processo è lasciare raffreddare le bottiglie molto lentamente e non aprire troppo presto il forno, anche se pensi che la temperatura del forno sia uguale a quella della stanza, dovresti sapere che la temperatura del vetro rimane superiore a quella forno uno durante un certo tempo, e qualsiasi sbalzo termico, anche minimo, può causare la rottura del vetro. Abbiamo avuto la rottura delle bottiglie uno o due giorni dopo il riscaldamento e consiglio di tener conto del +/- 30% di perdita (prevedere da 16 a 18 bottiglie per averne 12 alla fine, per non parlare di quelle che non rimarrete soddisfatti di).

Il profilo di temperatura qui fornito è da considerarsi esemplificativo e rispecchia solo le caratteristiche del nostro forno, è opportuno eseguire alcune prove con la propria attrezzatura per trovare la temperatura finale più appropriata. Se scaldi troppo otterrai bottiglie completamente piatte mentre se scaldi troppo di meno le bottiglie non saranno abbastanza appiattite.

Immagine 1: Il forno, vista generale

Immagine 2: Due bottiglie appiattite (non ho nessuna immagine delle bottiglie nel forno prima del riscaldamento in questo momento)

Immagine 3: profilo di temperatura tipico

Passaggio 3: individuare le posizioni delle bottiglie e dei LED

Nel disegno dell'orologio, spiegherò più avanti, ci sono due led sotto ogni bottiglia, quelli "esterni" che mostrano le ore (da 0 a 11 e da 12 a 23) e quelli interni che mostrano i minuti a passo di 5 (0, 5, …55). Per prima cosa devi posizionare le bottiglie attorno al pallet. Per questo è necessario prima tendere le stringhe tra una puntina centrale e 12 puntine attorno al pallet, se possibile "diametralmente opposte". 4 posizioni sono ovvie e facili da trovare: 0, 3, 6 e 9 ore (i fili si uniscono al centro di ogni lato, a due a due). Le altre 4 linee sono un po' più complicate. È necessario orientare le corde in modo che ci sia spazio sufficiente per ogni bottiglia (le bottiglie sono allineate a due a due con il loro asse corrispondente alla corda) e la bottiglia dà l'impressione di essere equamente distribuita. Questo passaggio richiede un po' di tentativi ed errori. Nota anche che poiché non sono tutte uguali devi scegliere dove ogni bottiglia dovrebbe andare (questa è una questione di "sentimento artistico"). Una volta scelto il posto di ogni bottiglia, non dimenticare di attaccare un'etichetta con il suo numero su ogni bottiglia e di mettere un segno sul bancale per il centro in basso di ogni bottiglia (vedi oltre). Questi punti e le stringhe verranno utilizzati in seguito per individuare i fori dei tasselli di fissaggio.

Successivamente i due led vanno posizionati relativamente ad ogni bottiglia e le posizioni poi trasferite sul pallet.

Per questo ho costruito una scatola con due assi "mobili" (vedi foto), la prima perpendicolare all'asse della bottiglia e la seconda, che è avvitata sulla prima al centro, permettendo la rotazione, è allineata su quell'asse. In questa seconda scheda ho praticato due fori (9 o 10 mm diam.) uno dei quali a forma di asola in modo che un led possa essere spostato lungo la direzione dell'asse. Applico 5V a ciascun led, prelevato da una scheda Arduino o da qualsiasi altra fonte. STAI ATTENTO! I led ad alta luminosità possono essere dannosi se li guardi direttamente, quindi si consiglia vivamente di mettere una fascia di scotch traslucido sopra i led.

Posiziona ogni bottiglia sulla parte superiore della scatola e sposta le due schede e il led "mobile" fino a quando non sei soddisfatto dell'effetto (ricorda che potresti aver inserito perline di vetro in alcune bottiglie e posizionare dei led sotto tali perline migliora l'effetto luminoso), misurare la posizione dei led rispetto al centro inferiore della bottiglia e al suo asse e trasferire questi punti sul pallet con una matita. Quando tutti i 24 punti sono stati segnati sul pallet, praticare i fori pilota (2-3 mm di diametro).

Nota: l'ultima foto mostra il posizionamento del primo cordino che si basava su un angolo fisso di 30° tra loro, ma, come si vede, questo non era compatibile con lo spazio necessario alle bottiglie; ho dovuto riallineare le corde sulle bottiglie.

Figura 1: Disegno che mostra i led e il loro significato

Figura 2: La scatola speciale per individuare la posizione dei led sotto ogni bottiglia

Immagine 3: la stessa scatola con una bottiglia

Figura 4: Posizionamento delle bottiglie (e delle stringhe) sul pallet

Passaggio 4: praticare i fori per i LED

Utilizzando i fori pilota del passaggio precedente dovresti ora praticare i fori per i led, ma, poiché lo spessore del pannello del pallet sarà probabilmente maggiore dell'altezza dei led, dovresti ridurre lo spessore praticando un foro più grande (ad esempio con un trapano per legno da 2 cm). Praticare prima il foro più grande (la profondità deve essere tale che lo spessore "non forato" corrisponda all'altezza del led) e poi i fori dei led. Regolare se necessario in modo che la parte superiore della lampada sia a filo con la superficie del legno.

Segna ogni foro con le etichette Hx e Mx (H per Ore e M per Minuti, x = 0, 1,..11).

Questo è illustrato dall'immagine.

Passaggio 5: praticare fori nelle bottiglie per i tasselli di fissaggio

Come praticare fori nel vetro può essere trovato su questo sito:

Trova la posizione del foro sull'asse della bottiglia in modo che non si sovrapponga a un led, a circa 2-3 cm dal centro inferiore della bottiglia dovrebbe essere OK. Praticare un foro (8 mm di diametro) sul lato inferiore, ma a metà dello spessore (non forare per tutto lo spessore della bottiglia!). Segna lo stesso punto sul lato superiore del pallet e fai un foro dello stesso diametro (per tutto lo spessore OK). La posizione del foro viene misurata sul cordino dal fondo della bottiglia che dovresti aver segnato durante il posizionamento.

Fissare i tasselli su ogni bottiglia nel foro con colla forte (doppio componente) e lasciare asciugare la colla.

Non appena i tasselli sono fissati è possibile posizionare le bottiglie sul pallet (orizzontale) inserendo i loro tasselli nei fori. Le bottiglie vanno messe testa a coda, la prima (12h) con il collo rivolto verso l'esterno.

Rimuovere le bottiglie (estraendo delicatamente il loro tassello dal legno).

Ora puoi inserire i led nei loro fori, riaggiustare i fori che sono troppo piccoli. Per quelli troppo grandi sarà necessario bloccare il led con un piccolo pezzo di legno avvitato sotto di esso.

Ho notato che, anche attraverso le bottiglie, la luce prodotta dai led era troppo forte e le ho colorate di giallo pallido.

Immagine 1: Il materiale per la perforazione del vetro (nota: ho usato un tappetino di gomma sotto la bottiglia)

Passaggio 6: la parte elettronica

Il circuito di comando di base del led è mostrato nella prima immagine (notare che la scheda RTC non è mostrata in questo schema, ma collegarla ad Arduino è facile e ben documentato, nella maggior parte dei casi una libreria è fornita dal produttore dell'RTC). Nella versione finale le breadboard sono state sostituite da PCB.

Ho deciso di separare l'interfaccia delle ore dall'interfaccia dei minuti per rendere il programma leggermente più semplice. Ogni interfaccia è basata su due registri a scorrimento 74HC595 collegati in serie. Vengono utilizzate tutte le uscite del primo registro (da 0 a 7) mentre per il secondo (da 8 a 11) sono necessarie solo le prime quattro.

Per il sistema finale ho creato due interfacce separate utilizzando schede di prova da 5 cm x 10 cm (fori raggruppati per 3). Ho usato due tipi di 74HC595, il primo dei circuiti integrati DIL a 16 pin nativi che ho montato su due supporti a 16 pin, saldati sulla scheda e il secondo due piccole schede che ho acquistato da Sparkfun, con una superficie 74HC595 montato su ciascuno (foto #7).

Dato che ero di fretta, non potevo aspettare la produzione di circuiti stampati, quindi ho realizzato il PCB da solo con schede di test, ma gli schemi PCB sono ora disponibili per entrambe le interfacce (vedi immagini PCB). Nota che puoi scegliere tra un solo tipo o il mix dei due tipi, questo dipende da te. Nota anche che non ho ancora testato il PCB prodotto (i file Fritzing non possono essere caricati qui ma posso fornirli se richiesto).

Regolazione RTC: la prima volta che Arduino viene connesso all'RTC sarà necessario impostare correttamente l'orologio. Alla fine, questa regolazione è nuovamente necessaria per compensare lo spostamento dell'RTC (2-3 secondi al giorno).

Questa impostazione avviene in set-up() a condizione che la seguente istruzione non sia commentata:

//#define RTC_ADJUST true // Se define, la regolazione dell'RTC avverrà nel setup

Se la riga sopra è commentata, set-up() regolerà l'RTC con i valori delle seguenti costanti (non dimenticare di inizializzare queste costanti con i valori correnti, cioè i valori al momento della compilazione e del download del programma su Arduino)

// Non dimenticare di regolare la costante sottostante se RTC_ADJUST è definito !!#define DEF_YEAR 2019 // L'anno predefinito utilizzato nella regolazione iniziale dell'RTC

#define DEF_MONTH 11 // Il mese predefinito utilizzato nella regolazione iniziale dell'RTC

#define DEF_DAY 28 // Il giorno predefinito utilizzato nella regolazione iniziale dell'RTC

#define DEF_HOUR 11 // L'ora predefinita utilizzata nella regolazione iniziale dell'RTC

#define DEF_MIN 8 // Il minuto predefinito utilizzato nella regolazione iniziale dell'RTC

#define DEF_SEC 0 // Il secondo predefinito utilizzato nella regolazione iniziale dell'RTC

Altrettanto importante: una volta avvenuta la regolazione non dimenticare di commentare nuovamente la riga e riscaricare il programma su Arduino

//#define RTC_ADJUST true // Se define, la regolazione dell'RTC avverrà nel setup

altrimenti la regolazione dell'RTC avverrebbe con valori errati ad ogni riavvio del programma (accensione o reset di Arduino). Questo è successo durante i miei test!! (Ho dimenticato di commentare di nuovo quella riga e non ho capito cosa stava succedendo…).

Ora diamo un'occhiata alla stessa funzionalità dell'orologio.

Fondamentalmente, ci sono due modalità di visualizzazione:

1. La modalità OROLOGIO (vedi figura #9)

   1. il led dell'ora corrispondente all'ora corrente è acceso
   2. il led dei minuti corrispondente al multiplo corrente di 5 minuti è acceso (questo led rimane acceso per 5 minuti)
   3. ogni led minuto, diverso da quello acceso, lampeggia per 5 secondi (il led è derivato dal valore "secondo" letto dall'RTC)

La modalità RANDOM (vedi figura #10)

tutti i led si accendono e si spengono in modo casuale, tranne quelli di "ora" e "minuti" correnti

Il tempo durante il quale un led minuto è acceso dura 5 minuti, ma durante questo tempo avanza il minuto "reale". Ad esempio, quando il minuto corrente diventa 15 il led "est" sarà acceso per 5 minuti ma il minuto reale sarà 15, 16, 17, 18 e 19 durante quei 5 minuti (che chiameremo "5 minuti" ciclo")

Il programma fa tre cose:

1. Calcola la differenza tra il minuto "reale" e quello visualizzato, dando 5 valori: 0, 1, 2, 3 e 4
2. Calcola la durata della modalità casuale moltiplicando per 6 secondi il numero che si trova appena sopra, ottenendo 5 valori: 0, 6, 12, 18 e 24 (secondi) per la modalità casuale e la differenza tra questi valori e 30 per la modalità orologio (30, 24, 18, 12 e 6 secondi)
3. Ripete questa distribuzione intermodale due volte all'interno di ogni minuto (il totale di entrambe le modalità è sempre di 30 secondi)

Questo "ciclo di 5 minuti" viene applicato ripetutamente ogni volta che si accende il "led dei minuti" successivo (che avviene ogni 5 minuti).

Nota: si può ricavare il minuto reale semplicemente contando quanto dura la modalità casuale e dividere questa durata per 6; ad esempio se si contano 18 secondi per la modalità casuale e i "25" minuti sono ON, significa che il minuto reale è 28 (18/6 = 3 e 25+3 = 28)

In questo video si può vedere prima la modalità orologio (l'ora attuale è tra le 10:25 e le 10:29) poi la modalità casuale (della durata di 6 secondi, il che significa che i minuti attuali sono 26) e poi di nuovo la modalità orologio. Nota che il pallet qui è posizionato a terra e che la bottiglia "mezzanotte" è sulla destra. Da questa prima mostra, l'orologio è ora presentato in verticale su un supporto a treppiede (Foto #11)

Notare anche che i led delle ore (10h) e dei minuti (25m) correnti non sono influenzati dalla modalità casuale.

Note sugli schemi PCB

Primo PCB (nativo 74HC595: immagine #4):

• U1 e U2 sono IC 74HC595
• La disposizione dei pin si trova nella figura #6 (vedi anche il pin utilizzato in Arduino nella dichiarazione delle variabili del programma)

Secondo PCB (schede breakout Sparkfun 74HC595: immagine #5)

Il layout dei pin può essere trovato nell'immagine #7

Ho usato connettori maschio saldati su entrambe le schede di interfaccia, quindi tutti i connettori dei cavi sono femmine.

Passaggio 7: fissaggio delle bottiglie sul pallet e collegamento dei LED

Per ogni bottiglia a turno:

• Individua il collo sul pallet (metti la bottiglia in posizione, segna il collo e rimuovi la bottiglia)
• Avvitare un collare di fissaggio con la vite al centro e al centro del collo (segnato sul pallet). Ho usato viti per gesso autoperforanti. Puoi praticare un foro pilota nel colletto se lo trovi più facile.
• Inserisci il tassello della bottiglia nel suo foro nel pallet
• Chiudere il collare intorno al collo della bottiglia, la bottiglia ora dovrebbe essere fissata sul pallet

Questo è tutto! (non dimenticare di rimuovere le stringhe e le etichette delle bottiglie alla fine).

Per ogni led:

Collegare entrambe le gambe del led ai fili + e GND. Il + proviene dall'apposito pin di uscita sulla scheda di interfaccia e il GND da una delle "schede di distribuzione GND" intermedie; queste schede sono semplicemente schede di test (+/- 2 cm x 5 cm) con bande lineari su cui si saldano le intestazioni dei pin maschi con tutti i pin saldati sulla stessa banda, un pin collegato a un pin GND dell'interfaccia disponibile; se stai esaurendo i pin GND, collega semplicemente la banda a un secondo e collegali insieme. Consiglio di isolare le connessioni led saldate con un manicotto termoretraibile (blu per GND e rosso per segnale led, "+")

Fissare tutte le schede sul pallet, sotto, e collegarle tra loro con cavi terminati con connettore femmina (Arduino per schede di interfaccia, 6 segnali + GND, alimentatori per Arduino e schede di interfaccia e RTC, RTC per Arduino, schede di interfaccia per 24 led (12 su una scheda di interfaccia). Non dimenticare di collegare il GND a tutte le schede.

Fissare gli alimentatori su una tavola di legno verticale, collegare il cavo CA al primo e collegare a margherita il secondo (attenzione, collegare il cavo CA solo dopo aver effettuato i collegamenti!).

Il video qui sotto mostra i primi tre minuti di un ciclo di 5 minuti. L'ora attuale è di quasi 4h55 e il video inizia poco prima che il led "50min" passi a quello "55min" (prima gli ultimi secondi della modalità random 24sec, i 6sec della modalità clock e poi il led del passaggio a 55min). Durante il primo minuto (16h55), viene visualizzata solo la modalità orologio (60 secondi), durante il secondo minuto (16h56), ogni passo di 30 secondi inizia con la modalità casuale di 6 secondi e poi segue la modalità orologio di 24 secondi, durante il terzo minuto (16h57), 12 secondi casuali e 18 secondi orologio (due volte)

Passaggio 8: osservazioni, estensioni e miglioramenti

Osservazioni:

• All'avvio del programma attende il successivo "minuto intero" (cioè RTC-secondi = 0) prima che inizi la visualizzazione del led

• Alcuni parametri del programma consentono di

  • Seleziona un orientamento diverso per il led "mezzanotte"
  • Distribuisci le due modalità su un minuto intero anziché due volte su 30 secondi
• Il supporto per pallet e le bottiglie di sidro non sono assolutamente necessari, puoi inventare altri tipi di supporti espositivi come ad esempio una scatola di zucchero, come mostrato in foto

Estensioni:

• Ho adattato il programma e realizzato una versione "table-driven" abilitando la suddivisione in modalità clock/random basata su una tabella di temporizzazione piuttosto che su una regola predefinita
• Una tabella "calendario dipendente" (data, ora di inizio, ora di fine) permette il controllo dell'ora di inizio e fine dell'orologio, in modo da poterlo lasciare acceso alla chiusura serale della mostra (verrà automaticamente arresta il display e si avvia al mattino senza alcuna azione manuale)
• Il programma ha una versione in cui la visualizzazione viene attivata dal rilevamento della presenza di un visitatore e si interrompe 5 minuti dopo l'assenza di visitatori.

Miglioramenti:

• RTC: una versione più stabile potrebbe sostituire la 1307 usata finora
• Potrebbe essere aggiunta una regolazione manuale dell'RTC (ad esempio aggiungendo due encoder rotativi, come https://wiki.dfrobot.com/Rotary_Switch_Module_V1_… e un pulsante per confermare le nuove impostazioni di ora e minuti)