Голографические часы на Arduino

Часы имеют механическую горизонтальную развертку и по принципу отображения похожи на диск Нипкова. Из-за быстрого вращения плата становится едва заметной для глаза и создается иллюзия символов, парящих в воздухе. Отображают как время, так и день недели с датой. С помощью кнопок можно изменять все единицы отображения, кроме секунд. Дополнительно можно изменять ширину табло.

Состоят из 2х частей - стационарной и вращающейся.
Для снижения шума и передачи энергии на вращающуюся часть пришлось отказаться от щеток. Поэтому здесь на стационарной части использована катушка с генератором, а на вращающейся части - катушка с диодным мостом и стабилизатором.

Платка Arduino pro mini (ссылка на Ali) использована здесь для таких функций:

• Управление 10 светодиодами, установленными вертикально друг за другом;
• Счет данных с модуля реального времени DS3231;
• Синхронизация отображения табло часов;

Рекомендуемый порядок сборки устройства:

1. Намотка катушек;
2. Полная сборка генератора;
3. Сборка приемника вращающейся части;
4. Проверка передачи энергии;
5. Полная сборка вращающейся части;
6. Проверка и дополнительная настройка устройства.

1. Намотка катушек
Катушка передающая намотана на каркасе радиусом на 5 мм больше, чем радиус ротора вентилятора. Проводом 0.5мм в 3 слоя (в 1 сторону) всего около 90 витков. Каждый слой пропитывается клеем и изолируется скотчем. Я пропитывал клеем "дракон", после его затвердевания каркас катушке не потребовался.
Катушка приемная мотается на предварительно подготовленном роторе. Лопасти компьютерного "кулера" убираются и оставшиеся неровности шлифуются. Проводом 0.12мм мотается 4 слоя в одну сторону, всего около 180-200 витков. Каждый слой также пропитывается клеем и изолируется скотчем.

Передающая катушка:

Приемная катушка:

2. Генератор
Схема генератора находится ниже:

Генератор основан на микросхеме-таймере NE555 и рассчитан на частоту около 26 кГц. Полевой транзистор - любой с допустимым током от 2А и напряжением от 30В. В своем варианте я использовал какой-то полевой транзистор с компьютерной материнской платы. Диапазон питающих напряжений генератора лежит в пределах 5-15 В. Настройка производится в последнюю очередь подбором питающего минимального питающего напряжения, достаточного для нормальной работы схемы на приемной части. Дополнительно к источнику питания генератора нужно, через мягкие провода, подключить инфракрасный светодиод, также необходимо рассчитать гасящий резистор для ограничения его тока.

3. Приемная часть
Обведена красным прямоугольником. Представляет собой простой диодный мост из быстродействующих диодов (VD1-4) и стабилизатором напряжения ("1117-33" в корпусе SOT-223 на 3.3 В). Диоды подойдут серии "FR" или "HER". В моем варианте стоят FR102. Стабилизатор - любой подходящий по расположению выводов и током от 500мА. Обведена красным прямоугольником.

4. Настройка генератора
После сборки части, обведенной красным на схеме, следует настройка генератора. Для начала нужно подключить нагрузку к приемной части. В качестве нагрузки лучше использовать 10 светодиодов, подключенных через ограничительные резисторы. Учитываем, что ток, не должен превышать 15мА (лучше ограничивать до 10мА). Затем следует поместить катушку в катушку и подать регулируемое напряжение на генератор. Постепенно повышая напряжение питания генератора, отслеживаем напряжение на стабилизаторе. При достижении номинального напряжения на стабилизаторе приемной части (3.3 В) и тока светодиодов (10-15мА) - запоминаем питающее напряжение. После подбираем стабилизатор для питания генератора, например, регулируемый LM317 или что-то близкое по напряжению из серии стабилизаторов "78**" (** - напряжение стабилизации). Ток генератора (до стабилизатора) не должен превышать 200 мА.

5. Полная сборка вращающейся части
Уже вытравленная, залуженная и оформленная плата крепится винтами М3 к ротору. Центры отверстий на плате имеются.
Подключение индикационной платы указано на фото ниже. После пайки индикатора к плате желательно усилить ее при помощи стропы из одножильного провода. Припаивать ее лучше к самой широкой дорожке на обоих платах - к минусу. В результате образуется треугольник, позволяющий не сорваться плате индикатора при больших оборотах. Желательно после проверки на предмет замыкания соседних дорожек залить термоклеем место стыка двух плат.

Модуль Arduino pro mini без изменений припаивается чрез штырьки.

Модуль реального времени DS3231 напаивается сверху чрез жесткие одножильные провода к плате Arduino pro mini. Также для удобства можно припаять гнездо для подключения программатора. Модуль позволяет отключать питание от устройства и не бояться за потерю реального времени.

6. Проверка и дополнительная настройка устройства

ИК-диод нужно установить на одножильных проводах (или его собственных ножках, если хватит длины) на удалении и под углом относительно длины платы. ИК-светодиод устанавливается в корпусе под ним. Когда диоды встречаются друг с другом, тогда включается табло. Для представления этого процесса, ниже находится схема:

Изменение времени
Для начала нужно остановить мотор (отключить питание от него). Вход в режим изменения часов производится нажатием S2 (средней кнопкой на плате). Загорится нижний светодиод. После можно нажимать кнопки S1 и S3 (+ и -). После каждого нажатия S1 или S3, будет на мгновение загораться светодиод вверху. Для перевода в режим смены минут надо еще раз нажать на S2 (среднюю кнопку), загорится светодиод выше предыдущего. После можно нажимать кнопки S1 и S3 (+ и -).

Порядок светодиодов - значение в меню (снизу - вверх)

1. Минуты
2. Часы
3. Изменение ширины табло
4. День
5. Месяц
6. Год
7. День недели

Для выхода из режима изменения нужно еще раз нажать на S2 (средняя кнопка) и 7 светодиод погаснет. Т.е. нужно для выхода нажимать среднюю кнопку и пройти все режимы. Ширина табло меняется в пределах от 4 до 40 мкс для каждой ячейки символа. Каждая ячейка - время, которое определенный светодиод горит или не горит. Время ячейки для всех символов одинаковое. Поэтому, чем больше скорость вращения - тем шире табло и наоборот.

Печатные платы

Устройство, показанное на фото выше, является прототипом. Поэтому на плате присутствует множество перемычек и напаек. Плата первоначальная, подверглась переработке в соответствии с изменениями прошивки, и ее окончательный вариант представлен ниже:

Печатная плата представлена в программе DipTrace. Все элементы подписаны. Отверстия справа не нуждаются в сверлении - это места для установки противовеса во время балансировки (устранения вибраций при вращении). В моем случае противовес - винт М3х20, установленный вертикально. Балансировку лучше производить после того, как убедились в работе часов. Иначе при исправлениях возможно потребуется очередная балансировка.

Печатная плата "индикатора" не имеет связи с основной, т.к. у меня не получались очень маленькие дорожки. Поэтому каждый светодиод соединен при помощи тонкого провода (от кабеля IDE). Плата индикатора также подверглась переработке, пришлось заменить светодиоды 3мм на SMD 0805. Это позволило уменьшить размер табло и повысить четкость символов:

Для сравнения, слева - старый вариант, справа - окончательный вид прототипа:

Печатная плата индикатора:

Здесь указаны точками места совмещения, цифры - нумерация светодиодов, красными линиями - подключение (остальные светодиоды по порядку).

В коде программы комментарии имеются. Платы надо печатать зеркально, если использовать технологию "ЛУТ".

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Arduino
• Часы
• DipTrace
• 555