Article par le professeur Shadoko

[tarekziade]

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Horloge

[ProfShadoko]

Introduction

Je possède dans ma cuisine une très belle horloge comtoise héritée de mes grands-parents. Si la précision de la mécanique est déjà assez épatante au départ, j'ai chargé une Arduino de l'améliorer encore.
Au vu de ses caractéristiques techniques (balancier sur l'avant typique de la deuxième moitié du XIXe siècle mais échappement à couronne et non à ancre typique de la première moitié), cette horloge doit dater du milieu du XIXe siècle.

Elle possède un mouvement, situé assez haut (environ 2m10), avec comme garde-temps un balancier d'environ 1m20. Deux poids assurent la réserve d'énergie, l'un pour le mouvement, l'autre pour la sonnerie. Il faut les remonter une fois par semaine.

Le balancier est de type lenticulaire, monté sur un ruban métallique simple avec un petit jeton de réglage permettant de faire varier la hauteur, et donc la période, du pendule. Ce type de monture a l'inconvénient, du fait de la dilatation, de rendre la période du balancier sensible à la température, problème qui sera corrigé sur les modèles plus tardifs avec des montures plus complexes auto-compensées. Dans des conditions de température bien stables, la tenue de l'heure est très bonne, avec une dérive de quelques secondes par jour. Mais on peut faire mieux ! C'est une fois de plus une Arduino qui va s'en charger.

!!!!ArduComtoise

Pas question, dans ce projet, de toucher à la mécanique très sensible de l'horloge elle-même. Tout se passe sans contact ou presque.

Un module Chronodot sert de garde-temps, avec une dérive typique de moins de 2s par mois. La comtoise est réglée pour avancer légèrement (environ 30 secondes par jour). Il suffit dès lors de retenir le balancier le temps grâce à un servo une fois par 24h pour conserver la précision de l'horloge indéfiniment. Cela implique de déterminer précisément quand l'horloge a fait deux tours complets (soit 24h).

!!!! Première approche : et Arduino comptait, comptait...

Dans un premier temps, j'ai voulu faire en sorte que le système soit totalement invisible de l''extérieur : pas question donc de mettre un feedback sur les aiguilles. Je suis parti sur une première solution consistant à compter le nombre de passages de balanciers effectués par l'horloge en 24h, le tout sans contact.

En bas de la caisse de l'horloge, un capteur optique compte les passages du balancier. Ce dernier effectue 80 350 passages en 24h, soit une période d'environ 1,07 secondes.

Lorsque les 80350 passages de balancier ont été comptés et donc que 24h ont passé sur l'horloge, l'Arduino fait tourner un servo de 90° pour bloquer le balancier. Comme l'horloge avance, l'Arduino maintient le balancier bloqué jusqu'à ce que 24h aient passé sur le Chronodot puis le relâche en faisant pivoter le servo en sens inverse.

Il est important de bloquer le balancier en bout de course afin qu'il reprenne suffisamment d'élan pour repartir. Un deuxième capteur se charge de détecter ce moment. On ne peut pas utiliser ce même capteur pour compter car lorsque le balancier vient d'être relâché, sa course est trop courte pour qu'il revienne jusqu'à ce capteur; on raterait donc des passages et toute la précision du montage repose sur un comptage précis.

!!!La séquence logicielle

Le logiciel est conçu comme suit:

• à l’initialisation, l'heure courante est notée.
• le comptage des passages de balancier démarre ensuite, avec une interruption sur le capteur central.
• au bout de 24h sur l'horloge (donc un peu moins de 24h sur le Chronodot) le montage passe en mode "réglage".
• dès que le balancier passe devant le capteur de fin de course, le servo est mis en position fermée et retient le balancier jusqu'à ce que 24h se soient réellement écoulées.
• le compteur est remis à zéro, l'heure de référence est réinitialisée et le balancier est relâché, le cycle peut recommencer.

Il arrive, sans que j'arrive à savoir pourquoi, que le détecteur rate un passage. C'est rare, mais le bon comptage est vraiment critique pour le fonctionnement du système. Le temps écoulé entre deux passages est donc calculé et, s'il est supérieur à 2 secondes, c'est qu'on en a raté un et un passage est rajouté "artificiellement".

!!! Limites du système

Ce système marche parfaitement entre deux remontages. Mais il se heurte à un problème insoluble : lors du remontage, l'horloge recule aléatoirement de 10 à 15 secondes du fait des divers jeux internes de la mécanique. On pourrait intégrer un temps moyen dans la calibration du montage pour compenser, mais c'est loin d'être idéal. J'ai donc changé d'approche.

!!!! Deuxième approche: feedback

J'ai dû me résoudre à employer la solution rejetée en première instance mais qui semble la seule parfaitement fiable, à savoir un feedback sur les aiguilles.

Celui-ci est constitué d'un micro-switch actionné par une came elle-même actionnée par le passage de la grande aiguille qui appuie sur une palette. Celle-ci est faite en plastique transparent rigide (un morceau de blister d'emballage de piles) pour être aussi invisible que possible.

Après tests, le micro-switch se déclenche à 45 minutes et 30 secondes de chaque heure, plus ou moins 3 secondes compte tenu de l'élasticité des divers éléments (palette transparente et micro-switch lui-même). Ce n'est pas gênant, car ce petit décalage n'est par définition pas cumulatif.

Une fois toutes les 24h (un peu avant 19h45), l'Arduino passe en mode réglage, c'est à dire qu'elle va bloquer le balancier dès que le micro-switch va se déclencher (donc quand l'horloge indiquera 19h 45min 30s) pour le relâcher au bon moment. L'horloge est réglée pour avancer de 30s par jour ; le système relâche le balancier avec 15 secondes de retard sur l'heure juste. En tenant compte de toutes les incertitudes, l'heure indiquée par l'horloge est donc indéfiniment décalée au maximum de 20s par rapport à l'heure juste.

!!!! Indicateurs

Histoire de ne pas tout faire à l'aveugle, des indicateurs permettent de monitorer le bon fonctionnement du système.

!!L'écran LCD

Pour suivre un peu ce qui se passe, un écran LCD est connecté à l'Arduino. Il s'agit d'un écran rétro-éclairé de 128x64 pixels acheté moins de 15 euros sur Dealextreme, sur les bons conseils de Skywodd qui nous fait en plus la grâce d'un tuto complet sur son utilisation.

L'affichage se divise en 2 colonnes : les valeurs courantes et les valeurs de référence.

• La première ligne indique le nombre de passages de balanciers déjà comptés et le nombre à atteindre.
• La deuxième indique l'heure courante et l'heure de référence.
• La troisième indique l'avance de l'horloge en secondes et la moyenne depuis la mise en route du système.
• La dernière ligne indique le nombre de jours écoulés depuis la mise en route (uptime).

!!L'indicateur lumineux

Un indicateur lumineux constitué de LEDs permet en outre de surveiller la dérive de l'horloge. Lorsque celle-ci est dans la "zone acceptable" (de 20 à 40 secondes) une diode verte s'allume. De 0 à 20 secondes ou de 40 à 60 secondes, une diode orange signale la dérive. En cas de retard, ou d'avance supérieure à 60 secondes, une diode rouge signale le problème.

L'avantage de l'indicateur lumineux est que, contrairement à l'écran LCD, il est visible en permanence par la vitre de la caisse, il n'est donc pas nécessaire d'ouvrir l'horloge pour le consulter.

!!Le remontage

Le remontage des poids doit s'effectuer chaque semaine (enfin plutôt tous les 6 jours et demi, je pense que la caisse de l'horloge a été raccourcie pour passer sous un plafond trop bas).

Pour ne pas rater ce moment, un détecteur de proximité (un [mini télémètre infrarouge|http://www.gotronic.fr/art-capteur-de-distance-sen0042-19371.htm|fr]) détecte quand le poids arrive en bas de l'horloge, environ 24h avant qu'il ne touche le sol et que l'horloge s'arrête. Sitôt le poids détecté, des Leds rouges s'allument sur l'indicateur lumineux. Enfin, un buzzer piézo-électrique émet des bips pendant 2 minutes avant le blocage du balancier.

!!!!Le code

Je vous livre enfin le code du système.

Télécharger le code de l'ArduComtoise