CLEPCIDRE : une horloge numérique de bouteilles de cidre : 8 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Avant de plonger dans la description de l'objet, je dois expliquer le contexte dans lequel il a été conçu et construit. Ma femme est artiste et travaille essentiellement avec de l'argile, en tant que céramiste, mais aussi avec d'autres matériaux comme le bois, l'ardoise ou le verre. Dans la plupart de ses oeuvres, elle essaie de montrer les traces laissées par le temps sur les objets et elle incorpore souvent des matériaux trouvés dans la nature comme des morceaux de bois sur la plage, afin de "donner une seconde vie aux objets usagés". Sa sœur et son beau-frère fabriquaient leur propre cidre (en Normandie) et ont encore des centaines de bouteilles de cidre qui dorment sous une épaisse couche de poussière dans leur ancien pressoir. C'était plus que suffisant pour déclencher la prochaine idée de création de ma femme: "une horloge de bouteilles de cidre". Le lien avec le temps est évident: ces bouteilles ont un passé glorieux et devraient désormais être le témoin du temps qui passe et former ensemble une horloge. Alors il y a un an elle m'a demandé: " Chérie peux-tu me faire une horloge avec des lampes sous 12 bouteilles de cidre ? Je vais aplatir les bouteilles dans mon four moi-même et tu t'occupes du reste: le support en bois, -une palette-, les lampes et tous les circuits électroniques ! Je veux afficher l'heure mais pas toujours, les leds doivent aussi clignoter de manière aléatoire, est-ce possible ? Il faudrait aussi trouver la solution pour fixer les bouteilles sur la palette". L'horloge devrait être prête dans un mois…

Le "surnom" de cette oeuvre d'art est "CLEPCIDRE" qui signifie "Circuit Lumineux Electronique Programme sous bouteilles de CIDRE", c'est un clin d'oeil au nom "CLEPSYDRE" qui désigne une horloge à eau inventée par les Egyptiens. Ma femme l'appelle "Les Bouteilles de Ma Soeur" (Les bouteilles de ma soeur).

Photo #1: Le stock de bouteilles de cidre de ma belle-soeur

Image #2: Le document de spécification original

Photo #3 à #6: vues de l'horloge

CLEPCIDRE a été présenté lors de deux expositions l'année dernière, la première aux Greniers à Sel à Honfleur (Calvados, Normandie, France) en avril 2019 (photo n°6) et la seconde à Touques (Calvados, Normandie, France) en juin 2019.

Fournitures

• Douze bouteilles de cidre (vous pouvez essayer d'autres types de bouteilles: champagne, mousseux, … mais sans garantie)
• Un four à céramique (nous avons utilisé un four cylindrique à chargement par le haut de 5kVA)
• Une palette (planches bord à bord, dimensions: +/- 107cmx77cmx16cm)
• Quelques planches de bois (pour fermer les côtés de la palette)
• 24 leds blanches haute puissance de 10mm de diamètre (ex
• Une carte Arduino: Uno ou Leonardo OK, une carte plus petite peut être OK, Mega est un peu exagéré
• Deux alimentations (5V pour les Leds et 12V pour les cartes Arduino et RTC, bien que 5V pour Arduino devraient être OK mais pas testés)
• Une carte RTC (j'ai utilisé un Adafruit DS1307 mais je recommanderais un RTC à compensation de température plus précis basé sur DS3231; le DS1307 change de 2 à 3 secondes chaque jour et nécessite un réajustement régulier)
• 4 registres à décalage 74HC595 soit comme éléments individuels (IC CMOS DIL 16 broches) soit déjà montés sur carte (par exemple SparkFun Shift Register Breakout - 74HC595 ref BOB-10680)
• Cartes de test époxy (50*100 mm, trous par groupe de 3 et cartes à usage général avec bandes de cuivre linéaires)
• Foret diamant (6 ou 8 mm) et chevilles en bois (6 ou 8 mm)
• 24 résistances 1/4 W (220)
• Collier de fixation pour bouchon de bouteille mécanique (trouvable en quincaillerie ou sur Internet)
• Colle, Fils, gaine thermorétractable, outils,.., vis,.., fer à souder (18W OK)

Étape 1: La chose la plus simple: fermer les côtés de la palette

Essayez de trouver une palette en bois (j'en ai trouvé une d'environ 107cm*77cm). Il ne doit pas y avoir d'espace entre les planches de bois.

Fixez 4 planches en bois avec des vis, une de chaque côté. Découpez les 4 planches dans des lagers pour obtenir les bonnes dimensions.

Comme il peut y avoir (et il y aura probablement) des planches de pied, je recommande de les couper comme indiqué sur la photo, cela libérera l'accès aux planches du bas et permettra le perçage de trous pour les leds.

Plus tard, lorsque les positions des leds auront été marquées, il faudra percer en deux temps, d'abord le trou avec le diamètre de la led (9 - 10mm) et ensuite le plus gros trou (disons 2cm) pour obtenir l'épaisseur correspondant à la hauteur de la led (l'épaisseur de la planche de bois est susceptible d'être supérieure à la hauteur de la led)

Photo 1: La palette vue du dessous avec les trous des leds déjà percés

Étape 2: Aplatir les bouteilles de cidre

Notre capacité de four permet de chauffer 6 bouteilles à la fois sur 3 niveaux. Lors de la mise en place des bouteilles, assurez-vous que les bouteilles ne sont pas en contact les unes avec les autres, ni avec les parois du four ni les colonnes.

Vous pouvez être créatif et ajouter, par exemple, des perles de verre ou des coquillages ou des petites pierres dans les bouteilles. Vous pouvez également insérer un support en terre cuite sous les bouteilles, cette dernière prendra la forme du support lors de la chauffe.

Le plus important dans ce processus est de laisser refroidir les bouteilles très lentement et de ne pas ouvrir le four trop tôt, même si vous pensez que la température du four est égale à celle de la pièce, sachez que la température du verre reste supérieure à la four pendant un certain temps, et tout choc de température, même minime, peut provoquer un bris de verre. Nous avons eu des ruptures de bouteilles un ou deux jours après le chauffage et je recommande de prendre en compte +/- 30% de perdu (prévoir 16 à 18 bouteilles pour en obtenir 12 à la fin, sans parler de celles qui ne vous satisferont pas de).

Le profil de température fourni ici doit être considéré comme un exemple et ne reflète que les caractéristiques de notre four, vous devez effectuer quelques tests avec votre propre équipement afin de trouver la température finale la plus appropriée. Si vous chauffez trop, vous obtiendrez des bouteilles complètement plates alors que si vous chauffez trop moins, les bouteilles ne seront pas assez aplaties.

Photo 1: Le four, vue générale

Photo 2: Deux bouteilles aplaties (je n'ai pas de photo des bouteilles dans le four avant la chauffe pour le moment)

Image 3: Profil de température typique

Étape 3: Localisez les positions des bouteilles et des leds

Dans le design de l'horloge, je vous expliquerai plus tard, il y a deux leds sous chaque flacon, les "externes" indiquant les heures (0 à 11 et 12 à 23) et les internes indiquant les minutes par pas de 5 (0, 5, … 55). Vous devez d'abord positionner les bouteilles autour de la palette. Pour cela il faut d'abord tendre des ficelles entre une punaise centrale et 12 punaises autour de la palette, « diamétralement opposées » si possible. 4 positions sont évidentes et faciles à trouver: 0, 3, 6 et 9 heures (les cordes rejoignent le milieu de chaque côté, deux par deux). Les 4 autres lignes sont un peu plus délicates. Il faut orienter les ficelles pour qu'il y ait assez de place pour chaque bouteille (les bouteilles sont alignées deux à deux avec leur axe correspondant à la ficelle) et la bouteille donnant l'impression d'être également répartie. Cette étape nécessite quelques essais et erreurs. A noter aussi que comme ils ne sont pas tous pareils il faut choisir où doit aller chaque flacon (c'est une question de "sentiment artistique"). Une fois l'emplacement de chaque bouteille choisi, n'oubliez pas d'apposer une étiquette avec son numéro sur chaque bouteille et de mettre un repère sur la palette pour le bas au centre de chaque bouteille (voir plus loin). Ces points et les ficelles seront utilisés plus tard pour localiser les trous des chevilles de fixation.

Ensuite, les deux leds doivent être positionnées par rapport à chaque bouteille et les positions ensuite transférées sur la palette.

Pour cela j'ai construit une boite avec deux planches "mobiles" (voir photo), la première perpendiculaire à l'axe de la bouteille et la seconde, qui se visse sur la première en son milieu, permettant la rotation, est alignée sur cet axe. Dans cette deuxième planche j'ai percé deux trous (9 ou 10 mm de diamètre) dont un en forme de boutonnière afin qu'une led puisse être déplacée dans le sens de l'axe. J'applique 5V à chaque led, choisie sur une carte Arduino ou toute autre source. FAIS ATTENTION! Les leds à haute luminosité peuvent être nocives si vous les regardez directement, il est donc fortement recommandé de mettre une bande de scotch translucide au dessus des leds.

Placez chaque bouteille sur le dessus de la boîte et déplacez les deux planches et la led "mobile" jusqu'à ce que vous soyez satisfait de l'effet (rappelez-vous que vous avez peut-être inséré des billes de verre dans certaines bouteilles et que placer des leds sous de telles billes améliore l'effet lumineux), mesurer la position des leds par rapport au centre bas de la bouteille et de son axe et reporter ces points sur la palette avec un crayon. Lorsque les 24 points ont été marqués sur la palette, percez des avant-trous (2-3 mm de diamètre).

Remarque: la dernière photo montre le premier positionnement des cordes qui était basé sur un angle fixe de 30° entre elles, mais, comme on peut le voir, cela n'était pas compatible avec l'espace nécessaire aux bouteilles; J'ai dû réaligner les cordes sur les bouteilles.

Image 1: Dessin montrant les leds et leur signification

Image 2: La boîte spéciale pour localiser la position des leds sous chaque bouteille

Image 3: La même boîte avec une bouteille

Image 4: Positionnement des bouteilles (et ficelles) sur la palette

Étape 4: Percer des trous pour les Leds

En utilisant les trous pilotes de l'étape précédente, vous devez maintenant percer les trous pour les leds, mais, comme l'épaisseur de la palette est susceptible d'être supérieure à la hauteur des leds, vous devez réduire l'épaisseur en perçant un trou plus grand (par exemple avec un foret à bois de 2 cm). Percez d'abord le plus gros trou (la profondeur doit être telle que l'épaisseur "non percée" corresponde à la hauteur de la led) puis les trous des leds. Ajustez si nécessaire pour que le haut de la lampe affleure la surface du bois.

Marquez chaque trou avec les étiquettes Hx et Mx (H pour les heures et M pour les minutes, x = 0, 1,..11).

Ceci est illustré par l'image.

Étape 5: perçage des trous dans les bouteilles pour les chevilles de fixation

Comment percer des trous dans le verre peut être trouvé sur ce site:

Trouvez la position du trou sur l'axe de la bouteille afin qu'il ne chevauche pas une led, à environ 2-3 cm du centre inférieur de la bouteille devrait être OK. Percez un trou (diamètre 8 mm) sur la face inférieure, mais sur la moitié de l'épaisseur (ne percez pas dans toute l'épaisseur de la bouteille !). Marquez le même point sur le dessus de la palette et percez un trou du même diamètre (sur toute l'épaisseur OK). La position du trou est mesurée sur la ficelle du fond de la bouteille que vous auriez dû marquer en les positionnant.

Fixez les chevilles sur chaque bouteille dans le trou avec de la colle forte (double composants) et laissez sécher la colle.

Dès que les chevilles sont fixées, vous pouvez placer les bouteilles sur la palette (horizontale) en insérant leurs chevilles dans les trous. Les bouteilles doivent être placées tête-bêche, la première (12h) avec le goulot vers l'extérieur.

Retirez les bouteilles (en tirant doucement leur goujon hors du bois).

Vous pouvez maintenant insérer les leds dans leurs trous, réajuster les trous qui sont trop petits. Pour celles qui sont trop grandes, il faudra bloquer la led avec un petit morceau de bois vissé en dessous.

J'ai remarqué que, même à travers les bouteilles, la lumière produite par les leds était trop forte et je les ai peintes en jaune pâle.

Image 1: Le matériau de perçage du verre (remarque: j'ai utilisé un tapis en caoutchouc sous la bouteille)

Étape 6: La partie électronique

Le circuit de commande led de base est montré sur la première image (notez que la carte RTC n'est pas montrée sur ce schéma, mais la connecter à Arduino est facile et bien documentée, dans la plupart des cas une bibliothèque est fournie par le fabricant RTC). Dans la version finale, les planches à pain ont été remplacées par des PCB.

J'ai décidé de séparer l'interface des heures de l'interface des minutes pour rendre le programme un peu plus facile. Chaque interface est basée sur deux registres à décalage 74HC595 connectés en série. Toutes les sorties du premier registre sont utilisées (0 à 7) alors que seules les quatre premières sont nécessaires pour le second (8 à 11).

Pour le système final, j'ai créé deux interfaces distinctes en utilisant des cartes de test de 5 cm x 10 cm (trous regroupés par 3). J'ai utilisé deux types de 74HC595, le premier étant des circuits intégrés DIL 16 broches natifs que j'ai montés sur deux supports 16 broches, soudés sur la carte et le second étant deux petites cartes que j'ai achetées chez Sparkfun, avec une surface 74HC595 monté sur chacun (photo #7).

Comme j'étais pressé, je ne pouvais pas attendre la fabrication des circuits imprimés, j'ai donc fait le PCB moi-même avec des cartes de test, mais les schémas PCB sont maintenant disponibles pour les deux interfaces (voir images PCB). Notez que vous avez le choix entre un seul type ou le mélange des deux types, cela dépend de vous. Notez également que je n'ai pas encore testé le PCB fabriqué (les fichiers Fritzing ne peuvent pas être téléchargés ici mais je peux les fournir si demandé).

Ajustement RTC: la première fois que l'Arduino est connecté au RTC, vous devrez régler l'horloge correctement. Finalement, ce réglage est à nouveau nécessaire pour compenser le décalage RTC (2-3 sec par jour).

Ce paramétrage a lieu dans le set-up() à condition que l'instruction suivante ne soit pas commentée:

//#define RTC_ADJUST true // Si défini, l'ajustement RTC aura lieu lors de la configuration

Si la ligne ci-dessus est commentée, set-up() ajustera le RTC avec les valeurs des constantes suivantes (n'oubliez pas d'initialiser ces constantes avec les valeurs courantes, c'est à dire les valeurs au moment de la compilation et du téléchargement du programme à Arduino)

// N'oubliez pas d'ajuster la constante ci-dessous si RTC_ADJUST est défini !!#define DEF_YEAR 2019 // L'année par défaut utilisée dans l'ajustement RTC initial

#define DEF_MONTH 11 // Le mois par défaut utilisé dans l'ajustement RTC initial

#define DEF_DAY 28 // Le jour par défaut utilisé dans l'ajustement RTC initial

#define DEF_HOUR 11 // L'heure par défaut utilisée dans l'ajustement RTC initial

#define DEF_MIN 8 // La minute par défaut utilisée dans l'ajustement RTC initial

#define DEF_SEC 0 // La seconde par défaut utilisée dans l'ajustement RTC initial

Aussi important: une fois le réglage effectué n'oubliez pas de re-commenter la ligne et de retélécharger le programme sur Arduino

//#define RTC_ADJUST true // Si défini, l'ajustement RTC se produira lors de la configuration

sinon, le réglage RTC aurait lieu avec des valeurs incorrectes à chaque redémarrage du programme (mise sous tension ou réinitialisation d'Arduino). C'est arrivé lors de mes tests !! (J'ai oublié de re-commenter cette ligne et je n'ai pas compris ce qui se passait…).

Voyons maintenant la fonctionnalité de l'horloge elle-même.

En gros, il existe deux modes d'affichage:

1. Le mode HORLOGE (voir photo #9)

   1. la led de l'heure correspondant à l'heure courante est allumée
   2. la led des minutes correspondant au multiple actuel de 5 minutes est allumée (cette led reste allumée pendant 5 minutes)
   3. chaque led minute, autre que celle qui est allumée, clignote pendant 5 secondes (la led est dérivée de la valeur "seconde" lue par le RTC)

Le mode RANDOM (voir photo #10)

toutes les leds sont allumées et éteintes de manière aléatoire, à l'exception des "heures" et "minutes" actuelles

Le temps pendant lequel une led minute est allumée dure 5 minutes, mais pendant ce temps la " vraie " minute avance. Par exemple, lorsque la minute actuelle devient 15, la led "orientale" sera allumée pendant 5 minutes mais la vraie minute sera 15, 16, 17, 18 et 19 pendant ces 5 minutes (nous appellerons cela les "5 minutes cycle")

Le programme fait trois choses:

1. Il calcule la différence entre la minute "réelle" et celle affichée en donnant 5 valeurs: 0, 1, 2, 3 et 4
2. Il calcule combien de temps le mode aléatoire doit durer en multipliant le nombre trouvé juste au-dessus par 6 secondes, conduisant à 5 valeurs: 0, 6, 12, 18 et 24 (secondes) pour le mode aléatoire et la différence entre ces valeurs et 30 pour le mode horloge (30, 24, 18, 12 et 6 secondes)
3. Il répète cette distribution inter-mode deux fois à l'intérieur de chaque minute (le total des deux modes étant toujours de 30 secondes)

Ce "cycle de 5 minutes" est appliqué encore et encore à chaque fois que la prochaine "led minute" est allumée (ce qui se produit toutes les 5 minutes).

Remarque: on peut dériver la minute réelle simplement en comptant combien de temps dure le mode aléatoire et diviser cette durée par 6; par exemple si vous comptez 18 secondes pour le mode aléatoire et que les "25" minutes sont sur ON, cela signifie que la vraie minute est 28 (18/6 = 3 et 25+3 = 28)

Sur cette vidéo on peut voir d'abord le mode horloge (l'heure actuelle est entre 10h25 et 10h29) puis le mode aléatoire (d'une durée de 6 secondes, c'est-à-dire que les minutes actuelles sont de 26) puis à nouveau le mode horloge. A noter que la palette est ici posée au sol et que la bouteille "minuit" est à droite. Depuis cette première exposition, l'horloge est désormais présentée verticalement sur un support tripode (Photo #11)

Notez également que les leds heure (10h) et minute (25m) en cours ne sont pas affectées par le mode aléatoire.

Remarques sur les schémas PCB

Premier PCB (natif 74HC595: photo #4):

• U1 et U2 sont des CI 74HC595
• La disposition des broches peut être trouvée sur l'image n ° 6 (voir également la broche utilisée dans Arduino dans la déclaration de variable du programme)

Deuxième PCB (cartes de dérivation Sparkfun 74HC595: photo #5)

La disposition des broches peut être trouvée sur la photo #7

J'ai utilisé des embases à broches mâles soudées sur les deux cartes d'interface afin que tous les connecteurs des fils soient femelles.

Étape 7: Fixation des bouteilles sur la palette et connexion des leds

Pour chaque bouteille à tour de rôle:

• Repérer son goulot sur la palette (mettre la bouteille en place, marquer le goulot et retirer la bouteille)
• Visser un collier de fixation avec la vis en son centre et au centre du col (marqué sur la palette). J'ai utilisé des vis à plâtre autoperceuses. Vous pouvez percer un trou pilote dans le collier si vous trouvez cela plus facile.
• Insérez le goujon de la bouteille dans son trou de la palette
• Fermez le collier autour du goulot de la bouteille, la bouteille doit maintenant être fixée sur la palette

C'est ça! (n'oubliez pas de retirer les ficelles et les étiquettes des bouteilles à la fin).

Pour chaque led:

Connectez les deux pattes des leds aux fils + et GND. Le + provient de la broche de sortie appropriée sur la carte d'interface et le GND de l'une des "cartes de distribution GND" intermédiaires; ces cartes sont simplement des cartes de test (+/- 2cm x 5cm) avec des bandes linéaires sur lesquelles vous soudez des en-têtes de broches mâles avec toutes leurs broches soudées sur la même bande, une broche étant connectée à une broche d'interface GND disponible; si vous manquez de broches GND, connectez simplement la bande à une seconde et connectez-les ensemble. Je recommande d'isoler les connexions led soudées avec un manchon thermorétractable (bleu pour GND et rouge pour le signal led, "+")

Fixez toutes les cartes sur la palette, ci-dessous, et connectez-les ensemble avec des fils à connecteur femelle (Arduino vers cartes d'interface, 6 signaux + GND, alimentations vers Arduino et cartes d'interface et RTC, RTC vers Arduino, cartes d'interface vers 24 leds (12 sur une carte d'interface). N'oubliez pas de connecter le GND à toutes les cartes.

Fixez les alimentations sur une planche de bois verticale, branchez le câble AC sur la première et en guirlande sur la seconde (attention, ne branchez le câble AC qu'une fois les branchements effectués !).

La vidéo ci-dessous montre les trois premières minutes d'un cycle de 5 minutes. L'heure actuelle est de presque 4h55 et la vidéo démarre juste avant que la led "50min" ne passe à celle de "55min" (d'abord les dernières secondes du mode aléatoire 24sec, les 6sec du mode horloge puis le passage à la led 55min). Pendant la première minute (16h55), seul le mode horloge est affiché (60 secondes), pendant la deuxième minute (16h56), chaque pas de 30 secondes commence par 6 secondes en mode aléatoire puis suit le mode horloge 24 secondes, pendant la troisième minute (16h57), 12 secondes aléatoires et 18 secondes d'horloge (deux fois)

Étape 8: Remarques, extensions et améliorations

Remarques:

• Lorsque le programme démarre, il attend jusqu'à la prochaine "minute complète" (c'est-à-dire RTC-secondes = 0) avant que l'affichage LED ne commence

• Certains paramètres du programme permettent de

  • Sélectionnez une orientation différente pour la led "minuit"
  • Répartir les deux modes sur une minute complète au lieu de deux fois 30 secondes
• Le support de palette et les bouteilles de cidre ne sont pas absolument nécessaires, vous pouvez inventer d'autres types de supports de présentation comme une boîte à sucre par exemple, comme indiqué sur la photo

Prolongations:

• J'ai adapté le programme et fait une version "table-driven" permettant la subdivision horloge/modes aléatoires basée sur une table de timing plutôt que sur une règle prédéfinie
• Un tableau "dépendant du calendrier" (date, heure de début, heure d'arrêt) permet de contrôler l'heure de début et d'arrêt de l'horloge, afin qu'elle puisse être laissée allumée lorsque l'exposition est fermée le soir (elle sera automatiquement arrête l'affichage et démarre le matin sans aucune action manuelle)
• Le programme a une version où l'affichage est déclenché par une détection de présence de visiteur et s'arrête 5 minutes après l'absence de visiteurs.

Améliorations:

• RTC: une version plus stable pourrait remplacer la 1307 utilisée jusqu'à présent
• Un réglage manuel RTC pourrait être ajouté (par exemple en ajoutant deux encodeurs rotatifs, comme https://wiki.dfrobot.com/Rotary_Switch_Module_V1_… et un bouton poussoir pour confirmer les nouveaux réglages des heures et des minutes)