Это мои часы в стиле стимпанк клепсидры («воровка воды»). Стабильная струя воды наполняет камеру, а сифон периодически ее осушает. Это действие перемещает поплавок вверх и вниз, а какой-то подключенный механизм отображает время.
Этот тип часов датируется III веком до нашей эры. Вот ссылка на рисунок старинных часов:
en.wikipedia.org/wiki/Water_clock#/media/File:Clepsydra-Diagram-Fancy.jpg
Я использую электрический насос для непрерывного питания сифона. Поплавок в сифоне соединен рычагом с храповым механизмом и собачкой. Храповое колесо имеет 60 зубцов, а цикл сифона составляет одну минуту, поэтому храповик напрямую приводит в движение минутную стрелку. Набор шестерен приводит в движение часовую стрелку. Микроконтроллер контролирует и регулирует поток насоса, чтобы поддерживать точный одноминутный цикл и поддерживать точное время.
Я связал короткое ускоренное видео, чтобы продемонстрировать механизм.
Это не набор планов по созданию точных часов, которые я сделал; скорее, как спроектировать и построить свой собственный.
Я использовал ЧПУ Carvewright для резки неметаллических деталей и программное обеспечение Carvewright Designer для проектирования этих деталей. Carvewright использует собственные форматы файлов, поэтому файлы бесполезны, если у вас нет машины Carvewright. Вместо проприетарных файлов я добавляю планы pfd для колес и шестерен, которые можно вырезать с помощью ленточной пилы или спиральной пилы. Если у вас есть станок с ЧПУ или 3D-принтер, в Интернете есть бесплатные приложения для проектирования шестерен, которые позволят вам разработать шестерни с таким количеством зубьев, которое я использовал для этого проекта.
Я вырезал многие другие детали своим карврайтом, но они не должны быть такими уж необычными. Я указываю критические размеры, чтобы вы могли изготавливать аналогичные детали любым способом. Конечно, вы можете изменить размеры в соответствии со своими потребностями.
В этом проекте задействованы несколько дисциплин: деревообработка, электроника, программирование, математика, металлообработка и даже немного сантехники! Я сделал для вас математику, по сути, все программирование и проектирование электроники, но вам понадобятся другие навыки, чтобы создать эту инструкцию.
Запасы
Вот список материалов, которые я использовал для своих часов, и откуда я взял детали:
- Медные трубки и фитинги диаметром 1/2 дюйма, припой и флюс - строительный магазин
- Латунные и / или медные трубки малого диаметра и латунный лист - хобби-магазин
- Медные колена 90 градусов 1/4 дюйма - eBay
- Акриловые цилиндры - eBay
- Уплотнительные кольца и виниловые трубки - строительный магазин
- Латунный стержень с резьбой и латунные гайки желудь - eBay
- Твердая древесина 3/4 "и фанера из балтийской березы 1/4" - home center
- Насос - eBay
- Адаптер 12 В постоянного тока - eBay
- Launchpad и электронные компоненты - DigiKey
- Саморезы из латуни - строительный магазин
- Спрей и акриловая краска - хобби-магазин
Конечно, создавая свои собственные часы, вы можете использовать множество различных материалов, в частности, для украшения - шестерни, шкивы, шланги и т. Д. Я думаю, что моя следующая версия будет изящной, из натурального дерева, с полированной медью и латунной сантехникой.
Шаг 1: рама и основание
Начните с разработки рамы, чтобы все было на месте. Я использовал медную трубу 1/2 дюйма и фитинги, а также одну деревянную деталь для основного каркаса моих часов. Вы можете сделать то же самое или выбрать что-то другое. Я использовал твердую древесину 3/4 дюйма в качестве основы.
На фотографии показаны некоторые важные размеры для размещения плеч рычагов и их точек поворота, которые являются валами на раме. Посмотрите видео, чтобы отметить движущиеся части и расположение вала. Конечно, вы можете изменить их, но я привожу их в качестве проверенного примера.
Шаг 2: водяные камеры
Чтобы сделать водяные камеры, я использовал акриловые цилиндры диаметром 2 дюйма. Торцевые крышки были вырезаны из дерева и окрашены металлической краской. Затем я нанес черную акриловую краску и протер ее бумажным полотенцем, чтобы получить эффект потертости. технику, которую я использовал для всех отделок.
Я вырезал диски из латунного листа и припаял латунные трубки к дискам для подключения воды. Уплотнительные кольца из местного строительного магазина обеспечивают герметизацию акрила и латуни. Торцевые крышки скрепляются латунным стержнем с резьбой и гайками.
Обратите внимание на отверстие для сапуна в латунном диске и соответствующую верхнюю крышку на верхней части каждой камеры.
Шаг 3: Рычаг и собачки
Рычаг установлен на шарнире на одном конце и опирается на верхнюю часть вала поплавка на другом конце. Он делает три вещи.
- Рычаг уменьшает количество перемещений поплавка до меньшего перемещения подвижной собачки с помощью рычагов разной длины.
- Рычаг меняет направление движения с вертикального на горизонтальное.
- Рычаг запускает скрытый датчик эффекта Холла через скрытый магнит, чтобы микропроцессор знал время цикла. (Конечно, их не нужно скрывать - возможно, ваш дизайн включает в себя какие-то сумасшедшие витые провода, соединяющие вещи.)
Движущаяся собачка перемещает храповое колесо на 1 зуб за каждый 1-минутный цикл.
Фиксированная защелка предотвращает движение храпового колеса назад.
Обратите внимание, что наконечник подвижной собачки прикреплен винтом, что позволяет регулировать наконечник. Это важно для координации движения подвижной защелки относительно неподвижной защелки.
Также обратите внимание, и это трудно увидеть, на валу поплавка диаметром 3/8 дюйма есть втулка диаметром 7/16 дюйма. Эта втулка ограничивает ход поплавка, так что подвижная защелка перемещается только на один зуб.
Я вырезал несколько замысловатых деталей для рычага и собачек, но вы можете сделать их проще, если хотите. Я включил критические размеры для этих деталей в шаге "Рама и основание". Конечно, эти размеры можно варьировать; Я включаю свои размеры как один рабочий, проверенный пример.
Шаг 4: плавать
Поплавок был сделан из трех деревянных секций толщиной 3 3/4 дюйма, затем покрытых прозрачной эпоксидной смолой. Также можно было использовать другие материалы, такие как пенополистирол.
Шаг 5: опора поплавка и верхний диск
Опора поплавка находится в верхней части верхней камеры и позволяет поплавку перемещаться вверх и вниз на его валу. Используйте латунную трубку диаметром 3/8 дюйма для вала поплавка. Отрежьте короткие отрезки трубки диаметром 7/16 дюйма для втулок. Приклейте втулки к трубке диаметром 1/4 дюйма, чтобы сделать опору для вала поплавка. Припаяйте опорный вал к верхнему латунному диску.
Шаг 6: Сифон
Я сделал сифон и другие водопроводные трубы из латуни и медных трубок диаметром 1/4 дюйма и колен под углом 90 градусов. Они были спаяны вместе. Критические размеры включают длину левой сифонной трубки, которая должна быть достаточно длинной, чтобы сила тяжести могла поднимать воду. правая сторона. Опять же, эти размеры можно изменить, но я показываю, что сработало для меня, как хорошую отправную точку.
Шаг 7: шестерни
Я спроектировал малые шестерни (шестерни) и большие шестерни (колеса) с помощью программного обеспечения Carvewright Designer. К сожалению, формат файла является проприетарным и бесполезен, если у вас нет машины Carvewright. Я включил в pdf планы вырезания шестерен с помощью спиральной пилы. После печати страниц проверьте линейку вверху каждой страницы, чтобы убедиться, что не произошло непреднамеренного масштабирования.
Если у вас есть станок с ЧПУ или 3D-принтер, есть бесплатные программные инструменты для проектирования шестерен, которые вы можете использовать для изготовления своих собственных шестерен.
Шаг 8: валы
Я использовал латунный стержень с резьбой для валов моих часов. Шестерни крепятся к латунным трубкам, которые надеваются на валы, и закрепляются латунными гайками с желудь.
Если вы используете колеса и шестерни того же размера, что и я, главный вал и вспомогательный вал будут находиться на расстоянии 3 дюйма друг от друга. Этот размер понадобится вам при проектировании рамы. Обратите внимание, что вспомогательный вал может быть размещен в любом месте вокруг нижней половины часы, а не просто немного смещены влево, как я..
Шаг 9: колесо с храповым механизмом
Минутный вал находится на храповике, который прикреплен к шестерне с 10 зубьями. Я использую суперклей, чтобы закрепить эти детали. Латунная трубка достаточно длинна, чтобы по ней скользил вал часов.
Шаг 10: промежуточное колесо и шестерня
В промежуточном колесе и шестерне используется колесо с 30 зубьями и шестерня с 8 зубьями, установленные на латунной трубке. Колесо, шестерня и вал выровнены, как показано на фотографии вида сбоку.
Шаг 11: часовая стрелка
Часовая стрелка прикреплена к колесу с 32 зубьями. Вал служит короткая латунная трубка. Он скользит по оси минутной стрелки. На фото вид сбоку видно, как все сочетается.
Шаг 12: Минутная стрелка
Как только часовая стрелка и колесо будут на месте, минутная стрелка запрессовывается на вал минутной стрелки. Закрепите детали латунными гайками. Вращайте минутную стрелку, пока часовая стрелка не окажется в положении «12 часов», затем удерживайте храповое колесо неподвижно, одновременно поворачивая часовую стрелку до положения «12 часов».
Шаг 13: Насос
Я использую небольшой диафрагменный насос на 12 В постоянного тока из Китая примерно за 4 доллара. Он будет работать медленнее при более низком напряжении, но при определенном напряжении он вообще отключается, и нет достаточного диапазона или изменения потока, чтобы регулировать цикл сифона путем изменения напряжения. Итак, я включаю и выключаю полные 12 В 10 раз в секунду, при этом продолжительность включения регулирует скорость потока. Эта пульсация достаточно быстрая, чтобы создать иллюзию непрерывного потока.
Я использую источник питания 12 В постоянного тока (сетевой адаптер) для питания.
Я подключил насос к латунной сантехнике с помощью виниловой трубки. Я поставил насос на пену.
Шаг 14: Добавьте воды
Я вставил короткую латунную трубку в отверстие сапуна нижней камеры, чтобы облегчить наполнение водой. Подсоедините временную виниловую трубку к сапуну, а к другому концу - бутылку со сжатым воздухом или воронку для заполнения.
Шаг 15: микроконтроллер и оборудование
Я использую микроконтроллер Texas Instruments MSP430. Для разработки аппаратного и программного обеспечения я использовал плату MSP430 Launchpad (около 20 долларов). Система разработки программного обеспечения, называемая Code Composer Studio, включена и может быть загружена с веб-сайта Texas Instruments.
Полное использование Code Composer Studio выходит за рамки данного руководства, но есть учебные пособия и обучающая информация из других источников, в частности Texas Instruments. Вам не нужно хорошо разбираться в Code Composer или быть программистом, так как я предоставляю все необходимые файлы и код, а также инструкции по установке и запуску Code Composer Studio для этого проекта. Возможно, вам придется изменить некоторые константы с помощью редактора и научиться создавать и загружать код в микроконтроллер. Подробнее об этом позже.
Я все еще использую довольно старую версию Code Composer Studio, версию 5.1.0.09000. Причина в том, что я использовал плагин под названием GRACE для настройки периферийных устройств, и этот инструмент был удален в более поздних версиях. Версия 5.1.0.09000 все еще доступна от TI.
Launchpad подключается к ПК через USB. Я написал программное обеспечение на ПК, загрузил его на Launchpad и использовал различные инструменты отладки, такие как пошаговый режим, точки останова, проверка переменных и т. Д. Я добавил несколько дополнительных компонентов через макетную плату для разработки оборудования перед переходом на автономную схему. доска.
Есть MOSFET-транзистор для управления насосом и несколько светодиодов для облегчения отладки (подробнее об этом позже). Затвор полевого МОП-транзистора подключен к выходному порту микроконтроллера через резистор. Два светодиода двунаправленные, красный / зеленый, с резистором на одном выводе, а другой вывод и резистор, каждый из которых подключен к своему собственному выходному порту. При активации одного порта светодиодный индикатор загорается красным цветом, а другой - зеленым.
Кроме того, в раме спрятан датчик на эффекте Холла, срабатывающий от магнита на рычаге, который перемещается поплавком. Он подключен к входному порту.
На панели запуска находится часовой кристалл с таймером / счетчиком для обеспечения точной временной развертки. Таймер / счетчик используется как для измерения времени сифона, так и для подачи импульса желаемой длительности на насос (широтно-импульсная модуляция или ШИМ). Дополнительный светодиод, подключенный к двигателю, указывает на работу ШИМ.
Светодиоды и соответствующие им токоограничивающие резисторы полезны для отладки и настройки некоторых программных констант, но не требуются для работы часов. Я не включил их в свою автономную доску proptype; Я просто использовал их на макетной плате.
Шаг 16: Программное обеспечение
Программное обеспечение написано на языке C. В нем используется обычно используемый модифицированный алгоритм ПИД-регулирования - пропорциональный, интегральный, дифференциальный. Вы можете найти много информации об этом алгоритме в Интернете. В каждом цикле фактическое время цикла сравнивается с идеальным временем, равным 60 секундам. Разница называется ошибкой. Погрешность и интеграл ошибки используются для регулировки длительности импульса.
Вот уравнение для корректировки, взятое прямо из кода:
pumpPWM = pumpPWM - (Kp * error + Ki * i_error)
Kp и Ki - константы, полученные эмпирическим путем, то есть экспериментальным путем. При первом запуске ошибка, скорее всего, будет большой. Вы выбираете Kp и Ki, чтобы уменьшить ошибку за разумный промежуток времени без превышения или занижения, а затем поддерживаете нулевую или близкую к нулю ошибку. Чтобы помочь в определении этих констант, я использовал два красных / зеленых светодиода. В конце каждого цикла я мигаю одним светодиодом красным или зеленым, чтобы указать количество секунд, в течение которых цикл был быстрым или медленным, причем каждая вспышка соответствует секунде. Например, 10 красных вспышек означают, что он был медленнее на 10 секунд. Другой светодиод отображает интеграл ошибки в секундах. Светодиоды не являются обязательными и могут быть удалены после разработки программного обеспечения.
Из-за возможных различий в насосах, размерах камер и водопровода вам, возможно, придется отрегулировать значения Kp и Ki. Но для этого не нужно знать C. Вам также может потребоваться отрегулировать номинальное значение PWM (постоянное NominalPWM). Для этого запустите систему до тех пор, пока ошибка не станет близкой к нулю, затем остановитесь и проверьте значение pumpPWM.
Я приложил снимок экрана Code Composer Studio, чтобы проиллюстрировать процесс. Программное обеспечение было загружено на панель запуска вместе с макетными дополнительными частями и работало около 14 минут. Затем выполнение было приостановлено, чтобы Code Composer Studio могла захватывать переменные и регистры из микроконтроллера. Первое, что нужно посмотреть в правом верхнем углу экрана, - это массив errorhist. Он показывает, что первый цикл был быстрым на 5,2 секунды (52 отсчета прерывания 100 мс), затем медленным на 1,3 секунды и т. Д. Здесь мы ищем то, что вы видите - числа не намного больше 5 секунд (50 отсчетов).), возможно, идет + затем - вот так, но в течение нескольких минут снижается до нуля. (Мы ожидаем вариации с самого начала, потому что верхняя камера может быть пустой или частично заполненной, поэтому требуется немного времени, чтобы установить ритм.) Следующее, что следует отметить, - это значение i_error, равное 38 или 3,8 секунды. Это означает, что за 14 минут наши часы отстают всего на 3,8 секунды. Это число должно быть небольшим, и член уравнения Ki гарантирует, что оно не будет расти, но фактически будет приближаться к нулю, чем дольше идут часы. Наконец, обратите внимание на значение pumpPWM, которое определяет количество времени, в течение которого насос работает в каждом цикле. Это значение составляет 1498. Поскольку через 13 минут у нас очень низкий уровень ошибки и низкий уровень i_error, мы ожидаем, что значение pumpPWM останется на этом уровне. Итак, как вы можете видеть в окне main.c, мы установили номинальное значение ШИМ на 1500. Это дает нам лучшую отправную точку для системы.
Я включил файлы, которые можно импортировать в Code Composer Studio, чтобы дублировать программное обеспечение. Я также включил список исходного кода, чтобы вы могли просматривать алгоритм и код без Studio. И я приложил снимок экрана со страницей GRACE, чтобы настроить таймер. Вы можете видеть, что таймер управляется кристаллом 32,768 кГц, установлен на период 100 мс или 10 Гц и другие характеристики. Я не знаю, почему TI отказался от этого полезного инструмента.
Шаг 17: Установите и запустите Code Composer Studio
- Загрузите и установите Code Composer Studio Version 5.1.0.09000 с сайта TI. Эта ссылка была активна на момент написания статьи:
- Загрузите файл Steampunk.zip и разархивируйте его.
- Запустите Code Composer Studio.
- Щелкните "Просмотр" - "Обозреватель проекта".
- Щелкните Project - Import Existing CCS / CCE Eclipse Project. Найдите и выберите корневую папку Steampunk, чем вы распаковали. Щелкните Копировать проекты в рабочую область. Щелкните Готово.
- В левом верхнем углу щелкните, как показано на снимке экрана, чтобы открыть окно Project Explorer. Щелкните, чтобы выбрать проект Steampunk, чтобы развернуть его и сделать активным. Дважды щелкните main.cfg и main.c. У вас должны быть открыты окна, как показано на скриншоте.
- Подключите Launchpad через USB. Щелкните Выполнить - Отладка. Код нужно скомпилировать и скачать.
- Щелкните Выражения в верхнем правом окне. Нажмите + Добавить новое выражение и введите переменные, которые вы хотите отслеживать (на снимке экрана Software Step).
- Нажмите Run - Resume, чтобы запустить микроконтроллер.
- Обратите внимание на светодиоды, если вы их установили. Через 5-10 минут нажмите Run - Suspend. Проверьте свои переменные и примите решение о любых необходимых корректировках (это может помочь вести журнал постоянных значений и результатов для каждого прогона).
- Нажмите «Выполнить» - «Завершить».
- Перейдите в окно main.c и внесите изменения в константы.
- При необходимости повторите действия с шага 9.
(Если вы хотите получить некоторый опыт работы со студией Code Composer и изучить код и конфигурацию периферийных устройств, вы можете выполнить шаги 1-6 без оборудования.)
Для этого шага я использовал панель запуска с макетной платой и светодиодами. Я подсчитал импульсы светодиодов за несколько циклов, чтобы увидеть тенденции. После нескольких циклов, как описано в Шаге программного обеспечения, я остановился, чтобы проверить переменные и историю ошибок. Я внес изменения в Kp, Ki и NominalPWM и снова запустил.
В зависимости от вашего насоса и конфигурации, насос может работать так быстро, что сифон не сможет конкурировать с ним. Пока вы начинаете с приличной константы NominalPWM, этого не должно происходить. Но в качестве средства защиты MaxPMW предотвратит это. Точно так же насос может работать так медленно, что верхняя камера никогда не заполняется. Используйте MinPMW как средство защиты от сбоев.
Шаг 18: Окончательное электронное оборудование
Когда я был удовлетворен производительностью, я построил свой прототип электронного оборудования на макетной печатной плате. Микросхема микроконтроллера подключается к разъему на Launchpad. Последняя версия загружаемого программного обеспечения остается в чипе, поэтому отключение чипа от панели запуска и использование этого чипа в прототипе также переносит программное обеспечение.
Выставляя часы на дисплей, просто поверните минутную стрелку по часовой стрелке, чтобы установить правильное время.
Время расслабиться и наслаждаться!
Приз судей в многопрофильном конкурсе