Общие сведения
Электромеханические часы — часы собранные на основе сервоприводов, Arduino Nano и Trema-модуля часов реального времени. Сервоприводы потребляют электроэнергию только во время переключения, поэтому мы сделаем часы на аккумуляторах.
Нам понадобится
Модули
- 1x Arduino Nano
- 1x Nano Shield
- 8x Trema-модуль Расширитель выводов, FLASH-I2C
- 5x i2c hub
- 1x Trema-модуль Реле
- 1x Модуль часов реального времени
- 4x Набор: Сделай сам #10 - «Механический циферблат»
- 1x Набор: Сделай сам #11 - «Двоеточие»
- 2x Понижающий DC-DC преобразователь LM2596
- 1x Батарейный отсек
- 2x Аккумулятор 18650
- Провода мама-мама
Библиотеки
Сборка механики часов
Соедините корпуса цифр чёрными винтами 10мм, которые идут в комплекте с каждой цифрой.
Подробнее про сборку одной цифры
Установка часов реального времени
Подключение
Для удобства подключения мы воспользуемся Trema Shield Nano Compact
Не забудьте выбрать плату Arudino NANO в меню Инструменты -> Плата
Возможно понадобится выбрать ATmega328P (Old Bootloader) в меню Инструменты -> Процессор
Скетч установки текущего времени
#include <iarduino_RTC.h> // Подключаем библиотеку iarduino_RTC для работы с модулями реального времени.
// iarduino_RTC time(RTC_DS1302, 2, 3, 4); // Объявляем объект time для работы с RTC модулем на базе чипа DS1302, указывая выводы Arduino подключённые к выводам модуля RST, CLK, DAT.
// iarduino_RTC time(RTC_DS1307); // Объявляем объект time для работы с RTC модулем на базе чипа DS1307, используется аппаратная шина I2C.
iarduino_RTC time(RTC_DS3231); // Объявляем объект time для работы с RTC модулем на базе чипа DS3231, используется аппаратная шина I2C.
//
// Определяем системное время: // Время загрузки скетча.
const char* strM="JanFebMarAprMayJunJulAugSepOctNovDec"; // Определяем массив всех вариантов текстового представления текущего месяца.
const char* sysT=__TIME__; // Получаем время компиляции скетча в формате "SS:MM:HH".
const char* sysD=__DATE__; // Получаем дату компиляции скетча в формате "MMM:DD:YYYY", где МММ - текстовое представление текущего месяца, например: Jul.
// Парсим полученные значения в массив: // Определяем массив «i» из 6 элементов типа int, содержащий следующие значения: секунды, минуты, часы, день, месяц и год компиляции скетча.
const int i[6] {(sysT[6]-48)*10+(sysT[7]-48), (sysT[3]-48)*10+(sysT[4]-48), (sysT[0]-48)*10+(sysT[1]-48), (sysD[4]-48)*10+(sysD[5]-48), ((int)memmem(strM,36,sysD,3)+3-(int)&strM[0])/3, (sysD[9]-48)*10+(sysD[10]-48)};
//
void setup(){ //
delay(300); // Ждем готовности модуля отвечать на запросы.
Serial.begin(9600); // Инициируем передачу данных в монитор последовательного порта на скорости 9600 бод.
time.begin(); // Инициируем работу с модулем.
time.settime(i[0],i[1],i[2],i[3],i[4],i[5]); // Устанавливаем время в модуль: i[0] сек, i[1] мин, i[2] час, i[3] день, i[4] месяц, i[5] год, без указания дня недели.
} //
void loop(){ //
if(millis()%1000==0){ // Если прошла 1 секунда.
Serial.println(time.gettime("d-m-Y, H:i:s, D")); // Выводим время.
delay(1); // Приостанавливаем скетч на 1 мс, чтоб не выводить время несколько раз за 1мс.
} //
} //
Установка адресов расширителей выводов
Адреса расширителей выводов можно установить двумя способами, в зависимости от ситуации:
1. Используя установщик адресов I2C
Об установке адресов при помощи установщика адресов можно узнать на странице установщика адресов
2. Используя Nano Shield Compact и Arduino Nano
Подключим модули расширителей по одному и установим адреса с 9 до 16 в десятеричной системе счисления. Для удобства подключения мы воспользуемся Trema Shield Nano Compact
Скетч установки адресов
// Подключаем библиотеку для работы с расширителем выводов.
#include <iarduino_I2C_Expander.h>
// Создаём объект
iarduino_I2C_Expander gpio;
// Функция очистки буфера последовательного порта
void DiscardSerial()
{
while(Serial.available())
Serial.read();
}
void setup()
{
// Инициируем последовательный порт.
Serial.begin(9600);
while(!Serial){;}
delay(500);
// Проверяем наличие модуля
if (!gpio.begin()) {
Serial.println("Модуль не найден, проверьте подключение.");
return;
}
// Устанавливаем адрес
while(true) {
Serial.print("Текущий адрес в десятеричной системе: ");
Serial.println(gpio.getAddress());
Serial.println(
"Введите новый адрес и нажмите "
"<Enter> или \"Отправить\""
);
DiscardSerial();
while(!Serial.available());
String newAddress = Serial.readStringUntil('\n');
newAddress.trim();
uint8_t newAddr = newAddress.toInt();
if (gpio.changeAddress(newAddr)) {
Serial.println("Адрес изменён.");
}
else {
Serial.println(
"Адрес не изменён, "
"проверьте подключение "
"и нажмите \"RES\""
);
break;
}
}
}
void loop()
{
delay(1);
}
Подключение
Для удобства подключения мы воспользуемся Trema-модулями i2c hub и Trema-модуль Расширитель выводов, FLASH-I2C.
В момент включения модулей, подключённых к реле, происходит скачок потребления тока и падение напряжения (микроконтроллер может перезагружаться от этого), поэтому мы подключили питание модулей цифр к отдельному преобразователю. Так же можно решить эту задачу резервуарным конденсатором и/или подобранным последовательным резистором на линии питания цифр (например: 1Ω, 2W).
Перед подключением DC-DC преобразователей необходимо установить напряжение в 5 вольт на их выходах при помощи подстроечного резистора.
Подключаем Arduino Nano, часы реального времени и i2c hub'ы
Подключаем сервоприводы (на примере 2-й цифры)
Калибровка сервоприводов
Для калибровки сервоприводов можно воспользоваться следующим скетчем.
После загрузки скетча, откройте монитор последовательного порта и следуйте инструкциям, которые будут туда выводиться. Вкратце: введённое число - новый угол сервопривода сегмента в положении ВКЛ., символ 'n' - переход к следующему сегменту. В конце калибровки программа выведет массив, который нужно будет вставить в основной скетч проекта часов.
Скетч калибровки:
// Подключаем библиотеку для работы с модулями расширителей выводов.
#include <iarduino_I2C_Expander.h>
// Подключаем библиотеку механических часов
#include <MechaClock.h>
#define REL_PIN 3
// Создаём массив объектов библиотеки расширителя выводов, указывая адреса
// (не забудьте устонавить адреса расширителей)
iarduino_I2C_Expander gpio[8]{9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16};
/* Сегменты
_a
f|_|b
e|g|c
d^
*/
/* Калибровка сервоприводов */
//!!! Сегменты E, B и G работают в обратном направлении !!!
// Положение ВКЛ. сегментов
uint8_t ON[DIGITS][SEGMENTS] {
{// ЦИФРА 1 (крайняя левая)
// g f e d c b a
90, 10, 90, 10, 10, 90, 10
},
{// ЦИФРА 2
// g f e d c b a
90, 10, 90, 10, 10, 90, 10
},
{// ЦИФРА 3
// g f e d c b a
90, 10, 90, 10, 10, 90, 10
},
{// ЦИФРА 4 (крайняя правая)
// g f e d c b a
90, 10, 90, 10, 10, 90, 10
}
};
// Положение ВЫКЛ. сегментов
uint8_t OFF[DIGITS][SEGMENTS] {
{
// g f e d c b a
10, 90, 10, 90, 90, 10, 90
},
{
// g f e d c b a
10, 90, 10, 90, 90, 10, 90
},
{
// g f e d c b a
10, 90, 10, 90, 90, 10, 90
},
{
// g f e d c b a
10, 90, 10, 90, 90, 10, 90
}
};
Digit myDigits[DIGITS];
// Функция очистки буфера последовательного порта
void discardSerial()
{
while(Serial.available())
Serial.read();
}
void setup()
{
pinMode(REL_PIN, OUTPUT);
digitalWrite(REL_PIN, HIGH);
Serial.begin(9600);
Serial.println(F("Скетч калибровки сервоприводов механических часов."));
Serial.println();
Serial.println(F("Адреса расширителей выводов в десятеричной системе:"));
bool flag = false;
for (auto& i:gpio) {
if(i.begin()) {
Serial.print(i.getAddress());
Serial.print("\t");
}
else {
Serial.print("failed");
Serial.print("\t");
flag = true;
}
}
Serial.println();
if (flag) {
Serial.println(
F("Один из расширителей не обнаружен."
" Проверьте подключение и адрес "
"модуля и запустите скетч заново.")
);
goto exit;
}
for (size_t i = 0; i < DIGITS; i++) {
myDigits[i] = Digit(gpio, i);
}
for (auto& i:myDigits) {
i.set('8');
}
Serial.println(
F("Все сервоприводы сегментов установлены в положение\r\n"
"ВКЛ. Если вы уже выполняли это шаг, пропустите его\r\n"
", если нет, отключите питание и установите качалки\r\n"
"сервоприводов и сегменты цифр. Качалки должны\r\n"
"\"смотреть\" насколько это возможно вверх от \r\n"
"оснований (цифры показывают восьмёрки)")
);
delay(1000);
Serial.println();
Serial.println(F("Карта сегментов:"));
Serial.println();
Serial.println(F(" A"));
Serial.println(F(" #####"));
Serial.println(F(" # #"));
Serial.println(F(" F # # B"));
Serial.println(F(" # G #"));
Serial.println(F(" #####"));
Serial.println(F(" # #"));
Serial.println(F(" E # # C"));
Serial.println(F(" # D #"));
Serial.println(F(" #####"));
Serial.println();
Serial.println(
F("Для продолжения введите любой символ в поле ввода"
" и нажмите \"Отправить\" или <Enter>.")
);
while(!Serial.available());
Serial.println(F("Начинаем процесс калибровки. Для выхода из калибровки"
" введите \"exit\" и нажмите <Enter> или \"Отправить\""));
Serial.println(F("Для дострочного вывода углов сервоприводов и выхода"
" введите \"printout\" и нажмите <Enter> или \"Отправить\""));
delay(2000);
uint8_t dig = 0;
uint8_t seg = SEGMENTS;
char current_seg = 'A';
do {
Serial.println("Калибруем сегмент"
+ String(current_seg) + " "
+ String(dig+1)
+ "-й цифры");
uint8_t on_deg = 0;
if (current_seg == 'B' || current_seg == 'E' || current_seg == 'G')
Serial.println(F("Угол сервопривода этого сегмента должен"
"быть ближе к 90 градусам в положении ВКЛ."));
else
Serial.println(F("Угол сервопривода этого сегмента должен"
"быть ближе к 0 градусам в положении ВКЛ."));
Serial.print(F("текущее значение: "));
Serial.println(ON[dig][seg-1]);
Serial.println(
F("Введите новое значение... (если калибровка"
" текущего сегмента закончена, введите \"n\""
" и нажмите <Enter> или \"Отправить\")")
);
// Опустошаем буфер последовательного порта
discardSerial();
// Ждём ввода пользователя
while(!Serial.available());
// Читаем введённые данные
String s = Serial.readStringUntil('\n');
// Удаляем непечатные символы
s.trim();
// Выходим из калибровки по желанию
if (s == "exit")
goto exit;
// Переходим к следующему сегменту
else if (s == "n") {
seg--;
current_seg++;
}
else if (s == "printout")
goto printout;
// Записываем новые показания в массив
else {
on_deg = uint8_t(s.toInt());
ON[dig][seg-1] = on_deg;
myDigits[dig].set('8');
}
if (seg == 0) {
dig++;
seg = SEGMENTS;
current_seg = 'A';
}
} while(dig != DIGITS);
printout:
Serial.println();
Serial.println(F("Калибровка завершена."));
Serial.println();
Serial.println(F("Замените следующие данные в основном скетче:"));
Serial.println();
Serial.println(F("uint8_t ON[DIGITS][SEGMENTS] {"));
Serial.println(F("\t{ ЦИФРА 1 (крайняя левая)"));
int k = 1;
bool first_dig = true;
for (auto& i:ON) {
if (!first_dig) {
k++;
Serial.println();
Serial.println("\t},");
Serial.print("\t{// ЦИФРА ");
Serial.println(k);
}
first_dig = false;
Serial.println(F("\t//\tg f e d c b a"));
Serial.print("\t\t");
bool first_seg = true;
for (auto& j:i) {
if (!first_seg)
Serial.print(", ");
first_seg = false;
Serial.print(j);
}
}
Serial.println();
Serial.println("\t}");
Serial.println("};");
exit:
Serial.println();
Serial.println(F("Выходим из калибровки."));
// "Отпускаем" все серво всех цифр
for (auto& i:myDigits)
i.release();
}
void loop()
{
delay(1000);
}
Скетч проекта
// Подключаем библиотеку для работы с модулями расширителей выводов.
#include <iarduino_I2C_Expander.h>
// Подключаем библиотеку для работы с модулями реального времени.
#include <iarduino_RTC.h>
// Подключаем файл с объектом механических часов.
#include <MechaClock.h>
// Вывод реле или силового ключа
#define REL_PIN 3
// Создаём массив объектов библиотеки расширителя выводов, указывая адреса
iarduino_I2C_Expander gpio[8]{9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16};
// Объявляем объект time для работы с RTC модулем на базе чипа DS3231
iarduino_RTC time(RTC_DS3231);
/* Калибровка сервоприводов */
// Положение ВКЛ. сегментов, этот массив необходимо заменить
// массивом, который вывел скетч калибровки
uint8_t ON[DIGITS][SEGMENTS] {
{// ЦИФРА 1 (крайняя левая)
// g f e d c b a
90, 10, 90, 10, 10, 90, 10
},
{// ЦИФРА 2
// g f e d c b a
90, 10, 90, 10, 10, 90, 10
},
{// ЦИФРА 3
// g f e d c b a
90, 10, 90, 10, 10, 90, 10
},
{// ЦИФРА 4
// g f e d c b a
90, 10, 90, 10, 10, 90, 10
}
};
// Положение ВЫКЛ. сегментов
uint8_t OFF[DIGITS][SEGMENTS] {
{
// g f e d c b a
10, 90, 10, 90, 90, 10, 90
},
{
// g f e d c b a
10, 90, 10, 90, 90, 10, 90
},
{
// g f e d c b a
10, 90, 10, 90, 90, 10, 90
},
{
// g f e d c b a
10, 90, 10, 90, 90, 10, 90
}
};
// Создаём объект механических часов, и передаём указатель на массив
// объектов расширителей выводов
MechaClock myClock(gpio);
constexpr unsigned long timer = 60000;
constexpr uint8_t NONE = 0;
static unsigned long currMillis = 0;
// Функция включения реле или силового ключа
void activate()
{
// Переводим вывод к которому подключено реле в режим "выход"
pinMode(REL_PIN, OUTPUT);
// Устанавливаем высокий логический уровень (включаем реле)
digitalWrite(REL_PIN, HIGH);
delay(300);
}
// Функция выключения реле
void deactivate()
{
delay(300);
// Переводим вывод реле в режим "вход" (выключаем реле)
pinMode(REL_PIN, INPUT);
}
// Функция ожидания переключения минуты
void waitaminute()
{
// Бесконечный цикл
while(true) {
// Узнаём текущее время
time.gettime();
// Выводим время на табло
myClock.print(time.Hours, time.minutes, TIME);
// Если минута только что переключилась
if (time.seconds == 0) {
// Записываем millis переключения
currMillis = millis();
// Возвращаемся в вызывающую функцию
return;
}
delay(100);
}
}
// Функция вывода номера не найденного расширителя выводов на встроенный светодиод.
// Количество миганий перед паузой - номер расширителя в массиве (не адрес!)
void troubleBlink(uint8_t err)
{
while(true) {
for (uint8_t i = 0; i < err; i++) {
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
delay(300);
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
delay(300);
}
delay(1000);
}
}
void setup()
{
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
activate();
// Проходим по всем расширителям выводов
uint8_t j = 0;
for (auto& i:gpio) {
j++;
// Инициируем текущий расширитель
if(!i.begin()) {
// Если инициализация не прошла - мигаем светодиодом
deactivate();
troubleBlink(j);
}
}
// Инициируем модуль часов реального времени
time.begin();
time.blinktime(NONE);
// Даём модулю время на инициализацию
delay(300);
// Вызываем функцию ожидания перехода минуты
waitaminute();
// Выключаем реле
deactivate();
}
void loop()
{
// Если прошла минута...
if (abs(millis() - currMillis) > timer) {
currMillis = millis();
// Включаем питание расширителей и сервоприводов
activate();
// Инициируем расширители
for (auto& i:gpio)
i.begin();
// Инициируем модуль часов реального времени
//time.begin();
// Даём модулям время на инициализацию
delay(300);
// Узнаём текущее время
time.gettime();
// Выводим текущее время
myClock.print(time.Hours, time.minutes, TIME);
// Выключаем питание расширителей и сервоприводов
deactivate();
}
delay(100);
}
Обсуждение