Un projet de vacances original: l'horloge Tropical One

[Tropique]

Bonjour à tous,

Le projet que je vais vous présenter est inhabituel, et pourtant tellement répandu.


Les projets d'horloge plus ou moins exotiques, créatifs ou farfelus abondent déjà: persistence rétinienne, binaires, et bien d'autres.

Si je me décide à proposer ma version du sujet, ce n'est certainement pas pour reproduire ce que d'autres ont déjà fait, parfois très bien.


Le but de l'exercice est de produire une horloge originale, à la fois non familière, mais en même temps utilisable réellement par tout un chacun, sans entrainement mental préalable.
Ce ne sera donc pas un simple gadget, mais aussi un objet utilitaire, et décoratif: il devra être agréable à utiliser et à regarder, et se fondre harmonieusement dans un intérieur.

Le mode d'affichage et le design concourront à ces buts.

Une fois n'est pas coutume, cette présentation va s'accompagner d'une petite vidéo:
http://www.youtube.com/watch?v=7S_Vla5s2b4

A bientôt pour entamer ce projet!
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[Sk_rmouche]

Il n'y a vraiment que des diodes bleues sur terre ?!

Hâte de voir la suite, si c'est aussi excitant que ce que j'ai eu l'occasion de lire dans la section projets, mon impatience est grande !

[Tropique]

Il n'y a vraiment que des diodes bleues sur terre ?!

Non, certainement pas.

En fait, le projet a été initialement créé pour n'importe quelles diodes, sauf des bleues.
Et puis, je suis allé chez mon revendeur favori, MBtronics, qui a pris le temps de me montrer son stock, mais "en action" (alimenté).
Il avait je crois 117 diodes vertes en stock (j'en voulais 120), et des centaines de ces diodes bleues, pas du tout le bleu tape-à-l'oeil des gadgets foireux, mais un bleu riche et profond, presque chaud (pour du bleu, c'est bizarre), diffusant, doux, velouté, bref, j'ai changé mes plans et j'ai opté pour cette teinte.
La vidéo ne lui fait vraiment pas justice; c'est sûrement aux limites du diagramme chromatique, et il faut le voir "de visu" pour l'apprécier vraiment: c'est mal enregistré et mal reproduit.

Jusqu'à présent, la première question des gens qui l'ont vu a été: "je veux la même, où-est-ce qu'on la trouve".

Bref, ce n'est pas du tout le bleu habituel.

Mais toutes les couleurs peuvent être employées, et même mélangées.
Je suis tombé amoureux de ce bleu, mais toutes les options restent ouvertes à ceux qui préférent autre chose.

A bientôt pour la suite...

[Sk_rmouche]

La vidéo ne lui fait vraiment pas justice; c'est sûrement aux limites du diagramme chromatique, et il faut le voir "de visu" pour l'apprécier vraiment: c'est mal enregistré et mal reproduit.

C'est plus que probable oui, sinon il eut fallu changer le titre en l'horloge Jacky One, tout de suite moins flatteur

[A voir en vidéo sur Futura]

[Tropique]

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Entrons dans le vif du sujet, et voyons quels ont été les principes de base qui ont guidé cette réalisation.

Je souhaitais de l'originalité, mais sans excès: pas au point de la rendre illisible et inutilisable pratiquement.

Ce qui exclut donc les fantaisies de type binaire, et similaires.

L'affichage est inspiré d'une horloge analogique: un cadran de douze heures et soixante minutes.
Mais il n'était pas non plus question de copier exactement une horloge à aiguilles: c'est trop "évident", et puis surtout, cela a été fait et refait d'innombrables fois, souvent très bien.

Pour se démarquer de cet affichage trop classique, le choix qui a été fait a été d'afficher un secteur lumineux commençant à l'aiguille (virtuelle) des heures et se terminant à l'aiguille (tout aussi virtuelle) des minutes.

• Le résultat est à la fois novateur et familier: le cerveau prend instantanément en compte l'angle formé par les aiguilles (absentes) et décode l'heure de manière instinctive, presque aussi facilement que si les aiguilles étaient réellement là.
  
• D'autre part, la configuration affichée est (presque)* unique et non-ambigue pour chaque temps possible dans les douze heures
  
• Pour agrémenter un peu cet affichage très (trop) sobre et statique, une "trotteuse" a été rajoutée: un point en affichage négatif qui met un peu de mouvement.
  
• Pour l'affichage, le parti a été pris de n'utiliser que 60 LEDs ou groupes de LEDs strictement identiques: pas de différentiation de couleur ou autre pour marquer les "graduations" du cadran: tout est créé électroniquement, par modulation de la luminosité.
  Le cadran est une surface lisse de perspex (PMMA) violet et diffusant (opalin).
  Le résultat est sobre jusqu'au dépouillement, et reste cependant parfaitement lisible.
  Ce n'est pas du tout tape-à-l'oeil, même avec des LEDs bleues. Il faut dire que le bleu des LBL5 est particulièrement velouté et profond, et n'agresse absolument l'oeil.
  
• Pour donner un air encore un petit peu plus cool, plus exclusif, l'affichage ne forme pas tout à fait un cercle, mais est légèrement aplati en forme d'ellipse.

Tous ces choix sont évidemment matière à préférences personnelles, et peuvent tous être remis en question: on peut choisir les couleurs de LED que l'on veut, les mélanger, en mettre de une à cinq par pixel, les arranger en cercle ou autre chose, supprimer la trotteuse ou non, l'électronique de contrôle reste la même.

Venons-y à l'électronique:

Elle est basée sur des circuits logiques CMOS standards, et est même particulièrement "rustique": il n'y a en tout et pour tout que 13 circuits, ce qui n'est pas énorme pour une horloge à quartz complète ayant un mode d'affichage assez particulier (et même pas d'alimentation régulée).
Ce qui explique l'aspect "jungle" du schéma: cette horloge pourrait sans problème rafler le prix du design industriel Grolandais.
Ceux que cela hérisse peuvent créer leur propre version, basée sur des circuits programmables, microcontroleurs ou autres, il certainement possible de simplifier substantiellement le hard au profit du soft.

Voici le schéma, que nous examinerons au prochain épisode, ainsi qu'une vidéo montrant la mise à l'heure de l'horloge:
http://www.youtube.com/watch?v=DUGB7obomAE
____________________________
* Cet aspect sera examiné plus tard

A suivre.....

[Tropique]

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Basons-nous sur le schéma-bloc:

Il y a 5 parties principales si l'on exclut les circuits annexes et de "cuisine interne", comme l'alim.

Commençons par la base de temps:
Elle est archi-classique, basée sur un quartz horloger de 32768Hz suivi d'un CD4060 qui fait une division jusqu'à 2Hz, complété d'un CD4520 pour récupérer le 1Hz de base servant à l'horloge.
L'oscillateur comporte une résistance d'attaque du quartz de 330K, cette valeur élevée garantit un fonctionnement à basse puissance, favorable aux caractéristiques à long terme.
La sortie bufferisée de l'oscillateur (TEST) permet le calage de l'oscillateur sur sa fréquence nominale.
Le signal de 1Hz passe par un oscillateur réalisé à base d'un trigger de schmitt.
Lorsqu'aucun bouton de réglage n'est activé, les impulsions de 1Hz passent en étant simplement différentiées (raccourcies).
Dès qu'un bouton est appuyé, l'oscillateur entre en fonctionnement et impose sa fréquence.
Trois vitesse sont prévues pour la facilité et la rapidité de réglage.
Comme la vidéo l'a montré, c'est très direct.

La chaine de compteurs "temps" reçoit ce signal de 1Hz.

Le premier étage est logiquement celui des secondes.
Les soixante unités sont scindées en deux blocs, l'un de 5, l'autre de 12.
Nous verrons plus tard la raison de cette répartition particulière.

La sortie des compteurs "secondes" pilote assez logiquement le compteur "minutes", à nouveau réparti en blocs 5x12.
Parallèlement, le signal "minutes" attaque également un autre compteur, câblé en diviseur par 12.
Ce compteur est indispensable pour émuler correctement le comportement de l'aiguille des heures sur une "vraie" horloge: elle ne fait pas un bond toutes les soixante minutes, mais avance progressivement.
Puisque ici, la résolution de notre cadran est de 1/60ème, cela équivaut à 1/5éme d'heure, soit 12 minutes.

C'est donc ce signal qui va servir à incrémenter le compteur suivant, qui n'est donc pas un compteur d'heures, mais un compteur d'heures/5.
Mais il reste un problème: on a de la redondance dans les informations des compteurs, entre les minutes, les heures et les heures/5.
Pour que toutes les informations soient cohérentes, il est nécéssaire de les synchroniser.
La méthode choisie ici est dynamique. Il serait possible de le faire statiquement, par décodage, mais ce serait assez lourd, ce serait faisable dans un circuit LSI, mais pour une petite bidouille comme la notre, ce serait disproportionné.
La synchronisation dynamique est beaucoup plus simple: lorsque le compteur des minutes atteint la fin de son cycle de 60, il remet par la même occasion à zéro les voies de comptage prallèle et redondantes.
C'est réalisé par C12 et U8, qui génèrent une impulsion de remise a zéro lorsque le compteur des minutes se recycle.
L'inconvénient de la synchronisation dynamique, c'est qu'il faut attendre jusqu'à un maximum de une heure avant d'être sûr d'avoir un affichage cohérent.
Mais cet inconvénient est mineur comparé au gain de simplicité qu'il permet, puisque de toutes manières, lors de la mise à l'heure initiale, on sera pratiquement forcé de cycler les minutes au moins une fois.

Les compteurs horlogers se terminent là.
Je n'ai pas inclu d'info supplémentaire, que ce soit AM/PM ou le jour, la nécéssité d'afficher ces infos d'une manière ou d'une autre romprait la belle harmonie de l'affichage choisi.

Les plus attentifs auront remarqué que les compteurs horlogers ne s'alimentent pas directement entre 0 et +12, mais via des bases de transistors.

La raison de cette configuration curieuse sera explicitée au prochain épisode.

A suivre....

[Tropique]

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Examinons maintenant la partie affichage.

Au préalable, il sera utile de résumer les principes mis en oeuvre :
La technique retenue est celle d'un multiplexage total, pour les 60 LEDs. Une seule LED est donc allumée à la fois.
Cela peut sembler assez extrême, mais cette solution a été retenue pour minimiser le nombre de composants (drivers etc), et simplifier le cablage.
L'inconvénient, c'est que le duty-cycle de 1:60 impose des courants de crête élevés.
Cela reste cependant gérable: des LEDs ordinaires, rouges, jaunes ou vertes supportent bien des courants de crête élevés, et les LEDs bleues (ou blanches, électriquement c'est pareil) sont tellement lumineuses que même avec un courant moyen faible, elles éclairent très correctement, ce qui permet de garder le courant de crête dans des limites acceptables.
Le but ici n'est (surtout) pas d'éclairer la pièce.
Avec les valeurs indiquées, et deux LEDs bleues par graduation, le courant de crête est d'environ 100mA, ce qui est tout à fait acceptable.

La luminosité sera contrôlée par PWM: les LEDs ne conduiront qu'une partie du 60ème de temps qui leur est alloué. Cela permettra de créer le cadran (l'ellipse), les graduations et les informations de temps.

Les compteurs d'affichage
Ils sont pilotés par l'horloge vidéo, à environ 12KHz. Cette fréquence n'est pas utilisée directement, elle est d'abord divisée par deux, pour générer des phases supplémentaires nécéssaires au PWM.
La fréquence de 6KHz attaque un compteur par 5 puis par 12, comme les compteurs horlogers.
La valeur de 5 est utilisée pour générer les 12 graduations "heures" du cadran.
Les compteurs par 5 et par 12 sont décodés et matricés pour attaquer les 60 LEDs: les cinq LEDs de la première colonne sont explorées successivement de haut en bas, ensuite on passe à la colonne suivante, etc.

Pour savoir à quel moment la LED explorée doit être allumée, il faut comparer le contenu courant des compteurs d'affichage à celui des compteurs horlogers.
Cette opération est effectuée de manière implicite: le bus de 7 bits d'affichage au centre du schéma est raccordé via des résistances de 15K à chacun des compteurs horlogers.
Ceux-ci n'auront une consommation statique nulle que si le mot binaire de l'affichage est identique au sien. La consommation est mesurée par les transistors se trouvant sur les rails d'alimentation, et ils générent un état logique approprié lorsque la condition est remplie.

Il reste ensuite à exploiter ces informations, et à les mettre en forme pour générer le signal PWM de contrôle, le signal "vidéo" en fait, qui est appliqué à l'entrée inhibit du démultiplexeur CD4515.

Pour les secondes, l'opération est assez directe: il suffit de générer un point unique en "vidéo négative", excepté que les graduations "heures" et "background" (le cadran) ne sont pas pris en compte pour l'inversion.
La commutation est faite directement par U8 qui reçoit sur sa commande le signal "secondes".

L'affichage de l'heure proprement dite est un peu plus complexe: il s'agit en effet, pour se conformer au cahier des charges, d'allumer une portion complète du cadran, plus seulement un point.
Pour ce faire, on utilise une bascule bistable formée de deux portes de U13 qui sera "settée" lors du top H/5, et "resettée" lors du top minutes.
L'ensemble des informations est traitée par le bloc "vidéo", qui crée un signal cohérent, traitant toutes les situations possibles: par exemple, l'affichage du secteur "temps" doit inverser la video des autres informations, secondes et graduations heures, mais pas le "cadran". Cela permet de retrouver les graduations "heures" en négatif dans la partie éclairée.
Cette graduation "heure" est générée par U7, qui concatène les multiples de 5 issus du décodeur, la partie positive de l'horloge vidéo et celle de la demi-horloge vidéo: le résultat est une modulation PWM de 25%. En ramenant l'entrée 6 de U7 à Vdd, il serait possible d'augmenter cette valeur à 50%.
Le cadran quant à lui est généré par un monostable, C13/R51/U8 dont la durée est beaucoup plus faible: une douzaine de µs. La luminosité du cadran est déterminée par cette constante de temps, et peut être modifiée, voire supprimée en enlevant C13.

Alors, vous suivez toujours?
Vous étiez prévenu, ce design sort tout droit d'un bureau d'études Grolandais....

Revenons brièvement sur un point effleuré précedemment: l'affichage de chaque heure devrait être unique et non ambigu.
Cependant, avec les options et principes choisis, il y aura des exceptions: en effet avec seulement 60(xn) LEDs, il y aura inévitablement des cas dupliqués.
Onze fois par 12 heures, les "aiguilles" vont s'approcher jusqu'à se superposer. Lorsqu'elles sont superposées, il n'y a pas d'ambiguité: dans la bascule d'affichage, l'état "allumé" est dominant, et il y aura donc un seul point au bon endroit.
Par contre, la minute avant, l'entièreté du cadran sera éclairée. Et cette situation se répète tous les 12/11 d'heure. Il y aura donc à chaque fois une période de une minute pendant laquelle l'heure sera indécidable.
C'est inhérent au principe choisi, et il n'est pas possible d'y échapper sans tricher. Si par exemple la bascule avait l'état "éteint" dominant, on aurait une ambiguité similaire, mais sur un cadran éteint.
Il aurait été possible de tricher, faire des bricolages genre clignotement ou autre pour malgré tout arriver à lever l'ambiguité.
Mais je n'ai pas souhaité m'attaquer à la cohérence du principe, cela aurait donné un résultat boîteux et insatisfaisant intellectuellement.
Conséquence, il faudra parfois attendre une minute (au maximum) avant de pouvoir lire l'heure.

Voici quelques photos de l'horloge et de ses entrailles:

A suivre....

[invite3570b5f7]

Belle réalisation

C'est rare de nos jours les réalisations sans µC ... j'ai 23 ans et je me souviens que quand j'avais 15 ans je me disais toujours " je déteste les µC ! vive la bonne logique ! " tout ca parce que je ne savais pas programmer, alors que maintenant je n'utilise plus que des µC !

Je vois que tu utilises des plaques à trous ... j'aurais bien voulu un typon

[Tropique]

Belle réalisation

C'est rare de nos jours les réalisations sans µC ... j'ai 23 ans et je me souviens que quand j'avais 15 ans je me disais toujours " je déteste les µC ! vive la bonne logique ! " tout ca parce que je ne savais pas programmer, alors que maintenant je n'utilise plus que des µC !

Je vois que tu utilises des plaques à trous ... j'aurais bien voulu un typon

Pourquoi ne pas proposer une version à µcontroleur (avec typon!)?
Il y en aura pour tous les goûts comme ça.

D'abord, examinons rapidement l'alimentation.

Elle n'appelle pas beaucoup de commentaires, vu sa simplicité: elle n'est même pas régulée.
Les circuits CMOS n'en ont absolument pas besoin, ce serait un luxe inutile.

Le transformateur utilisé est un 12V/3VA, qui vu sa faible puissance "s'écrase" dès que l'on tire un peu de courant.
Cela limite la tension redressée à bien moins de 16V, même avec le maximum de LEDs éteintes.
Une zener est présente au cas où il se produirait une surtension temporaire, pour protéger les circuits intégrés. En fonctionnement normal, elle est totalement inactive.

Avoir une alimentation aussi "molle" est un avantage ici: quand peu de LEDs sont allumées, le courant moyen débité diminue et la tension peut monter vers 14.5V, rendant les LEDs plus lumineuses.
Le contraire se produit quand une portion plus grande est allumée, avec pour résultat une certaine stabilisation du niveau moyen de lumière émis, ce qui va dans le sens d'un des points du cahier des charges: éviter d'illuminer la pièce.
Une batterie de sauvegarde est prévue. Sa gestion est tout aussi sommaire que l'alimentation: elle est chargée en "trickle" grâce à une résistance qui laisse passer environ 3mA, càd ~C/200.
Les accus peuvent en principe supporter indéfiniment ce traitement, mais il y a malgré tout une zener qui limite la tension à ~6V.

Les circuits CMOS peuvent en principe fonctionner jusqu'à 3V, mais les compteurs horlogers ont leur tension amputée de 2Vbe, ce qui impose l'emploi de 4 éléments.
La sauvegarde est assurée jusqu'à 4V, et en fonctionnement sur batterie, le courant consommé est de ~3mA, ce qui procure une réserve de marche théorique de 200 heures.

En sauvegarde, les LEDs sont évidemment complètement éteintes, on est très loin en dessous du seuil.

L'alimentation n'a pas été logée dans le corps de l'horloge: cela évite d'une part d'y caser des éléments lourds et encombrants (transfo + accus), et d'autre part de transporter du 230V, ce qui serait ennuyeux.
On peut se contenter de deux conducteurs d'un câble en nappe, légers et discrets.

L'alimentation a été installée dans un boitier de "verrue murale" ayant à l'origine un transfo de 6VA. Le gain de place a permis d'y loger les accus.

Les valeurs données pour l'oscillateur à quartz sont des moyennes, et conviennent à un quartz nécéssitant entre 12 et 18pF de charge, elles sont à adapter si nécéssaire, de même que la 330K, si on est présence d'un exemplaire peu actif.

Les résistances de limitation des LEDs font ici 22 ohm.
Avec deux LEDs bleues, cela donne un courant de ~100mA, ce qui est un bon compromis.
En fonction de la tension exacte d'alimentation, de la couleur et du nombre de LEDs par pixel, et du courant souhaité, cette valeur pourrait être adaptée.
Les drivers peuvent facilement fournir 450mA crête si nécéssaire.
Cela explique la taille des 22 ohm sur le proto: je n'étais pas encore fixé sur le type et le nombre de LEDs que j'allais employer, et j'ai donc vu assez large.

Si l'on souhaite baisser la tension d'alimentation, il faut tenir compte des comparateurs des compteurs, qui nécéssitent un minimum d'environ 8V pour travailler correctement.
Il est possible d'aller plus bas en augmentant les 2.2K B-E des transistors.

A suivre....

[Tropique]

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Je vais brièvement décrire ma réalisation; le but n'est certainement pas d'encourager une copie servile et exacte, mais plutot de servir de référence.

Ceux qui ont de meilleures idées peuvent laisser leur créativité s'exprimer, et ceux qui n'ont qu'une inspiration limitée ou préfèrent la sécurité d'un design testé et réussi peuvent la reproduire telle quelle.

On peut se référer aux photos qui précèdent pour l'illustration des explications.

La construction est centrée sur un "chassis", la plaque de plexi transparent visible sur les photos.
L’appellation peut sembler ambitieuse, mais c'est bien de cela qu'il s'agit:
Cette plaque sert de support aux LEDs, à l'électronique, au support d'accroche au mur, et enfin à la face avant en plexi teinté.

Pourquoi du plexi? (= perspex, = PMMA)
C'était disponible, et la transparence facilitait pas mal de choses, mais n'importe quel autre support, métal, MDF, phénolique, etc, aurait pu convenir.
Le "patron" de perçage pour les LEDs est fait à partir d'une image de cadran d'horloge trouvée sur le net, mise au format, anamorphosée en ellipse et imprimée (voir photo ci-dessous).

La face avant:
C'est la partie visible de l'horloge, et elle a donc une grande importance.
Dans mon cas, c'est du plexi violet et opalin (diffusant), et c'est un peu un oiseau rare, que j'ai pu dénicher grâce à un sympathique artisan, M. Labarre de Plexi-Création, qui m'a consacré une demi-heure de son temps pour passer en revue son stock et trouver le matériau idéal.
C'est quelque chose d'excessivement important, et il faut tester par transparence avec une LED pour voir si la couleur passe, si la diffusion est correcte, et si le rendu général est bon.
Du bon choix du matériau dépend la réussite ou le ratage du résultat final, il faut donc y consacrer le temps nécéssaire.
A titre indicatif, les dimensions sont de 32x37cm².

Initialement, j'avais souhaité utiliser une dalle épaisse (~10mm) comme face avant.
Mais les variétés "exotiques" de plexi n'existent qu'en 3mm.
Avec une feuille relativement fine, "la rectitude" industrielle choquait un peu.
J'ai donc étuvé la feuille à une centaine de degrés durant vingt minutes.
Elle était posée sur un support plat et lisse, elle est donc restée plane, mais en même temps, le matériau a "travaillé" un peu, ce qui a cassé l'aspect initial trop net: tout en restant plat, c'est devenu un peu plus "naturel", un peu "organique".
C'était une manip à relativement hauts risques, mais dans mon cas elle a réussi.

Pour fixer de manière invisible la face avant au chassis, j'y ai collé cinq blocs d'aluminium taraudés avec de l'époxy, ce qui a permis de la fixer au "chassis" avec des vis.

La face avant est largement débordante, pour donner l'impression de flotter devant le mur.

Voilà, chacun est libre de s'inspirer ou non de ces informations.

Selon les LEDs que l'on choisit, il pourra y avoir des variations.
On n'est pas obligé de les mettre toutes de la même couleur, et si on le voulait, on pourrait souligner de manière permanente les graduations de 1/4 d'heure par des LEDs supplémentaires, colorées ou non.

J'ai fait le choix d'une sobriété proche du dépouillement, mais d'autres options sont possibles.

Au niveau de l'affichage, on l'a vu précédemment, il est aussi possible d'agir sur les "éléments du décor vidéo", on est libre de le personnaliser dans de larges limites, avec cadrans, graduations, nombre de LEDs, etc.

A bientôt pour de nouveaux projets!

[invite48707525]

Salut !

bravo pour cette realisation!

C'est vrai que j'ai été surprise quand j'ai decouvert qu'aucun µc n'avait été utiliser, et probablement un certain courage pour concevoir un pareil schema !

Au passage, comment a tu fixé les Led ? merci

[Tropique]

Salut !

bravo pour cette realisation!

C'est vrai que j'ai été surprise quand j'ai decouvert qu'aucun µc n'avait été utiliser, et probablement un certain courage pour concevoir un pareil schema !

Au passage, comment a tu fixé les Led ? merci

Le "chassis" interne en plexiglas transparent de 3mm a des trous de 5mm pour accueillir les LEDs, qui sont en plus collées en place.

On le voit dans les photos:
http://forums.futura-sciences.com/at...al-one-aroejpg

[invite48707525]

Ahh d'accord, genial, merci pour ta reponse !
Je m'en doutais, mais je n'etait pas certains.