Bau einer Bahnhof-Uhr

Zitat von 11465 - Oerlikon

Das Ganze ist auch nicht weiter tragisch

Ja, das eilt ja auch nicht. Aber ich möchte schon gerne wissen, was das ist. Vielleicht sind das lauter abgeraffelte Zähne von den Zahnrädern, die sich nun elektrostatisch von innen an die Rückwand geschmiegt haben. Falls das so etwas ist, müsste man konstruktive Massnahmen in Erwägung ziehen.

Gestern und heute bin ich recht gut vorangekommen. Ich habe mich vor Allem auf die Uhr-Funktionen der Fernsteuerung konzentriert.

Im Haupt-Menu gibt es jetzt neu den Menu-Punkt "Railway Station Clock".

Im Menu Railway Station Clock sind 6 Funktionen. Die erste davon (Restart Clock) macht einen Neustart des ESP32-C3 in der Uhr. Wenn man diese Funktion ausführt, verhält sich die Uhr, wie wenn man ihr den Strom aus- und wieder einschaltet. Die mit Abstand wichtigste Funktion (Hands Positioning) ist fertig realisiert und funktioniert bereits. Diese Funktion muss immer nach einem Neustart der Uhr durchgeführt werden. Was das ist, sieht man auf den nächsten Bildern.

Mit der Funktion "Second Hand Positioning" wird nach einem Neustart der Uhr der Sekundenzeiger auf die 12-Uhr-Marke gesetzt. Dies ist notwendig, weil in der Uhr keinerlei Sensoren verbaut sind. Wenn die Uhr eingeschaltet wird, kennt der Controller die aktuelle Position des Sekundenzeigers nicht. Wenn aber der Sekundenzeiger einmal genau positioniert ist, weiss und verfolgt der Controller die Position dauernd. Da der Sekunden-Antrieb durch einen Schrittmotor realisiert ist, ist dies problemlos möglich, denn die Stellung des Schrittmotors bleibt immer genau synchron mit der Anzahl der ausgegebenen Impulse (Schritte). Der Controller muss einfach immer wissen, welche und wieviele Schritte er ausgegeben hat.
Auf dem Bildschirm sieht man hier, was passiert, wenn man die Cursor-Tasten (up, down, left und right), sowie die Select-Taste (Mitte) drückt. Während up und down grössere Schritte ausführen, machen left und right eher kleine (feine) Schritte. Natürlich kann man die Tasten auch gedrückt halten. Sie repetieren dann in schneller Abfolge. Ich werde das demnächst mittels eines Videos genauer zeigen.

Hier ist es genau dasselbe, diesmal einfach für den Minuten-Zeiger. Auch dieser muss genau auf die 12-Uhr-Marke gesetzt werden.

Beim Stunden-Zeiger funktioniert es etwas anders. Man könnte es zwar hier genau gleich lösen wie beim Sekunden- und beim Minuten-Zeiger. Aber da der Minuten- und der Stunden-Zeiger mechanisch über das Getriebe gekoppelt sind, müsste man bis zu 6 Voll-Umdrehungen des Minuten-Zeigers abwarten, bis der Stunden-Zeiger auf der 12-Uhr-Marke ist und das wäre sehr langweilig. Statt dessen teilt man hier der Uhr mit, auf welcher Stunden-Marke der Stunden-Zeiger aktuell steht. Die Uhr trägt dem Rechnung, wenn sie die Zeiger auf die aktuelle Zeit bewegt. Auch hier kann es bis zu 6 Umdrehungen des Minuten-Zeigers dauern, bis die Zeit stimmt, aber darauf muss man ja nicht warten, denn die Uhr macht das dann selbstständig.

Heute habe ich in der Uhr die Anbindung ans Internet und den Abruf der aktuellen Zeit vom NTP Server realisiert.

Wenn man die Uhr an den Strom anschliesst, wird intern zuerst eine Verbindung mit dem Internet (*) hergestellt. Anschliessend werden Datum und Zeit ab pool.ntp.org (das ist ein NTP-Server im Internet) abgerufen und in der eingebauten Akku-gepufferten RTC (Real-Time-Clock) gespeichert. Obwohl die Uhr nur die Zeit, aber nicht das Datum anzeigt, ist das Datum trotzdem notwendig, damit die Uhr automatisch zum richtigen Zeitpunkt auf Sommerzeit und wieder zurück schalten kann.

Nun muss man mit der Fernsteuerung erst den Sekunden- und dann den Minuten-Zeiger genau auf 12-Uhr stellen und dann der Uhr mitteilen, wo der Stunden-Zeiger gerade steht. Sobald das gemacht ist, stellt sich die Uhr automatisch ein und läuft ab dann bis sie wieder vom Strom getrennt wird.

Die eingebaute RTC liefert immer genaue Zeit (Abweichung normalerweise nicht mehr als eine Sekunde pro Monat). Trotzdem wird aber periodisch (muss ich noch einstellen, aber voraussichtlich einmal pro Tag) die Zeit immer wieder vom NTP Server abgerufen und die RTC damit synchronisiert. Bei einem guten und permaneten WLAN-Zugang und einem zuverlässigen Strom-Netz müsste die Uhr somit bis zum Nimmerleinstag die jeweils genaue Zeit anzeigen.

Falls man die Uhr vom Strom trennt und beim Wieder-Anschliessen gerade kein WLAN zur Verfügung steht, muss man zwar wieder die Zeiger positionieren (wie man es im Video sieht), aber die Zeit wird dann für den Betrieb der Uhr aus der RTC (**) geholt.

(*) Aktuell habe ich den Namen des WLAN-Netzwerkes in unserem Modellbahn-Raum und das zugehörige Password noch fix einprogrammiert. Als einen der nächsten Schritte werde ich die Auswahl des Netzwerkes und die Erfassung des Passwortes über die Fernsteuerung realisieren. Damit kann man die Uhr dann auch in den Bereich eines anderen Netzwerkes bringen und dort mit WLAN betreiben.

(**) Für den Fall dass in der Umgebung der Uhr überhaupt kein WLAN zur Verfügung steht (z.B. mitten in der Wüste Sahara) und die interne RTC nach Monaten Betrieb ein paar Sekunden abgedriftet ist, werde ich noch in der Fernbedienung eine Funktion realisieren, mit der man die Zeit manuell eingeben und sie dann an die Uhr übermitteln kann. Abgesehen davon, dass Sand im Getriebe der Uhr wohl nicht gut bekommt, würde sie damit Sahara-tauglich (***).

(***) Ich habe eben realisiert, dass es mitten in der Sahara auch keinen Strom-Anschluss gibt. Blöd!

Gestern abend habe ich die Funktion "Fine adjust Hands" realisiert. Wenn man während des Normal-Betriebes der Uhr feststellt, dass jeweils der Minuten-Zeiger eben doch nicht so haargenau auf einer Minuten-Marke zu stehen kommt, wie man es gerne hätte (gilt vor Allem für Pedanten wie mich), kann man ihn mit dieser Funktion auf einfache Art noch ganz fein justieren.

Du scheinst mir eher ein Analoger zu sein. Die machen das so 😊.

Schlaf-Modus

Die Uhr läuft im Normalbetrieb sehr leise. Wenn es sonst ruhig ist, hört man jeweils den Minuten-Sprung ganz leise. Betreibt man die Uhr in dem Zimmer, wo man auch schläft, kann das eventuell stören. Deshalb habe ich jetzt den Schlaf-Modus implementiert.

Der Schlaf-Modus ist eine reine Software-Funktion. Auf der Fernsteuerung betätigt man die rechte, obere, schwarze Taste und dann bewegen sich die mechanisch gekoppelten Minuten- und Stundenzeiger auf dem jeweils kürzeren Weg (das kann links- oder rechtsherum sein) auf 12:00 Uhr. Der Sekundenzeiger macht seine angebrochene Runde noch fertig und bleibt dann auch auf 12:00 Uhr stehen. Die Uhr ist jetzt im Schlaf-Modus. Es bewegt sich nichts mehr und demzufolge gibt sie auch keinerlei Geräusche von sich. Intern (elektronisch) läuft die Zeit aber weiter.

Um den Schlaf-Modus wieder zu verlassen, drückt man auf der Fernsteuerung wieder auf den gleichen schwarzen Knopf. Dann bewegen sich der Minuten- und der Stunden-Zeiger auf dem kürzeren Weg zur aktuellen Zeit. Der Sekundenzeiger wartet noch den Minuten-Wechsel der aktuellen Zeit ab und beginnt dann wieder zu drehen. Das kann dann lustig aussehen: Eine Uhr, wo der Sekunden-Zeiger in Normalgeschwindigkeit vorwärts dreht und sich gleichzeitig der Minuten- und der Stundenzeiger schnell rückwärts bewegen.

Warum halte ich die Uhr für den Schlaf-Modus nicht einfach dort an, wo die Zeiger gerade stehen? Sie wäre so ja auch geräuschlos. Meine Überlegung war folgende: Wenn man nachts erwacht und die angezeigte, aber stillstehende Zeit abliest, könnte das irreführend sein (man könnte es in schlaftrunkenem Zustand für die aktuelle Zeit halten). Stehen aber alle drei Zeiger genau auf 12:00 Uhr, fällt es eher auf, dass das nicht die aktuelle Zeit, sondern der Schlaf-Modus ist.

Verschiedene Generationen der Bahnhof-Uhr

Erste Generation: Die Uhr, die den Namen Barbara erhalten hat, scheint bei Roger auf dem Polizeiposten zufriedenstellend ihren Dienst zu tun. Die Barbara ist ein Prototyp mit einem Arduino Uno R4 und hat ein Bedien-Panel (Tasten und Display) unten im Sockel eingebaut.
Auch wenn es mal eine Veronika in der gleichen Bauweise gab, wurde sie nie ganz fertig. Bevor sie nämlich mit der Elektronik und dem Bedien-Panel ausgerüstet wurde, hatte ich die Idee mit der zweiten Generation der Bahnhof-Uhren und somit bleibt die Barbara das einzige Exemplar der ersten Generation. Die Veronika war dann noch hilfreich als Bauteile-Spenderin für die zweite Generation.

Zweite Generation: Die Bahnhof-Uhr der zweiten Generation ist bezüglich Grösse und mechanisch praktisch identisch mit der Barbara. Was geändert hat, ist vor Allem die Elektronik und die Steuerung. Das im Sockel eingebaute Bedien-Panel ist weggefallen und stattdessen wird die Uhr über eine Fernsteuerung bedient. Zudem wird die Uhr statt von einem Arduino Uno R4 jetzt von einem ESP32-C3 gesteuert. Die genaue Zeit muss nicht mehr eingegeben werden, denn die Uhr holt sich die genaue Zeit aus dem Internet. Nach wie vor hingegen müssen die Zeiger nach einem Neustart der Uhr vom Bediener in die Initial-Position gebracht werden, weil für den Antrieb keine Sensoren verbaut sind. Dieses Justieren der Zeiger erfolgt mittels der Fernbedienung. Auch die Fernbedienung läuft mittels eines ESP32 (hier ist es ein ESP32-C6). Diese ESP32 Controller ermöglichen die einfache kabellose Kommunikation mittels ESP-NOW untereinander. Von den Uhren der zweiten Generation wird es zwei Exemplare geben. Eines wird in den nächsten Wochen an einen Bekannten ausgeliefert und ein zweites wird seine Dienste in meinem Wohnzimmer verrichten.

Variante der zweiten Generation mit dem Mutter-Uhr-Konzept: Nun kommen wir zum MoBa-Raum der ChRB, den ich auch häufig "mein Labor" nenne und wo die Steuerung für die Bahnhof-Uhren entstand (und immer noch entsteht). Hier hatte ich eigentlich im Sinn, eine doppelseitige Uhr zu entwickeln und diese etwa in der Mitte zwischen dem K- und dem H-Bereich anzubringen. Das Vorhaben mit der doppelseitigen Uhr muss ich leider fallen lassen. Das würde mit dem selbstgedruckten Getriebe sehr aufwändig, empfindlich und fast nicht montierbar. Statt dessen plane ich für das Labor zwei einseitige (normale) Uhren. Die erste kommt an den Standort, wo die doppelseitige Uhr vorgesehen war und die zweite gegenüber an die Wand. Damit hat man praktisch immer eine Uhr im Blickfeld. Nun, die Situation mit mehreren Bahnhof-Uhren in der gleichen Umgebung schreit geradezu nach dem Mutter-Uhr-Konzept, wie es früher an den richtigen Bahnhöfen angewendet wurde. Ich werde also eine Mutteruhr, bestehend aus einem ESP32 und einer Real Time Clock (RTC), aber ohne Zifferblatt und bewegliche Teile, entwickeln und in ein ansprechendes Gehäuse packen. Diese Mutteruhr wird die Zeit aus dem Internet holen und permanent intern in der RTC laufen lassen. Bei jedem Minuten-Wechsel wird die Mutteruhr einen Minuten-Impuls aussenden, den die beiden Töchter jeweils empfangen und haargenau synchron ihren Minuten-Zeiger springen lassen und die rote Sekunden-Kelle in die nächste Runde schicken. Die Tochter-Uhren brauchen damit keine RTC mehr und auch keinen Internet-Zugang, aber nach wie vor einen ESP32.

Nachwort: Die Absicht, zwei recht aufwändige (mit der Mutteruhr zusammen sind es sogar drei) Uhren für einen relativ kleinen Raum zu fertigen und dort unterzubringen, ist natürlich masslos überrissen. Das kann man nur im Umfeld des Hobby's rechtfertigen, wie auch die MoBa selber. Wenn's Spass macht, ist's OK, auch wenn's eigentlich viel zu aufwändig ist.

Mutteruhr

Ich habe jetzt angefangen, die Mutteruhr zu konzipieren.

Bevor ich alles auf einen Print löte und ein Gehäuse dazu anfertige, will ich sehen, dass es überhaupt funktioniert. Dazu dient dieser Test-Aufbau. Ich will darauf die Software fix und fertig entwickeln, bis alles perfekt läuft. Erst dann mache ich mich an die endgültige Verkabelung und ans Gehäuse.

Oben auf dem Breadboard ist der ESP32-C6 FireBeetle 2. Das ist das gleiche Board, das ich schon für die DIGI-NOW Fernsteuerung mit Erfolg verwendet habe. Der FireBeetle ist über ein GDI Flachband-Kabel mit dem 320 x 240 Pixel Display verbunden. Das spart etwa 10 einzelne Kabel für den Betrieb des Displays. Nach rechts sieht man den Anschluss an den LiPo-Akku. Dank diesem kann man die Mutter-Uhr für bis zu ein paar Stunden vom Strom trennen, ohne dass die Mutter-Uhr ihren Dienst unterbricht.

Ganz oben, das schwarze USB-C-Kabel ist jetzt mit dem Entwicklungs-System verbunden. Später im Betrieb wird hier ein kleines, einfaches USB-Ladegerät, wie man es für Handys braucht, eingesteckt. Eines der einfachsten Ladegeräte mit 10 Watt reicht hier locker aus und wird sogar um etwa Faktor 100 überdimensioniert sein.

In der Mitte auf dem Breadboard ist die Real Time Clock (RTC). Obwohl man die genaue Zeit von einem NTP Server im Internet abholen kann, braucht es die RTC trotzdem. Um den jeweiligen Minuten-Sprung sehr genau an die Tochter-Uhren senden zu können, muss die Zeit dauernd, in schneller Abfolge abgefragt werden können. So schnelles Abfragen der Zeit macht man nicht mit dem NTP Server. Da würde man sofort als Spam-Bot eingestuft und gesperrt. Auch die RTC hat einen Stütz-Akku. Seine Notwendigkeit ist hier aber nicht wirklich gegeben, denn die Mutteruhr sollte immer am Strom sein.

Unten hat es noch sieben kleine schwarze Taster. Diese dienen der Bedienung für die initiale Justierung der Zeiger auf die Zifferblatt-Marken, der Auswahl eines WLAN-Netzwerkes, einer Not-Eingabe der Zeit, falls man die Mutteruhr in einer WLAN-freien Umgebung betreiben will und um die Uhr in den Schlaf-Modus schicken zu können und sie daraus auch wieder aufzuwecken. Später im Gehäuse werden sie natürlich schöner angeordnet, als hier auf dem Bread-Board.

Heute habe ich fast den ganzen Tag programmiert.

Damit die Uhr Internet-Zugang erlangt, um die aktuelle Zeit von einem NTP Server abholen zu können, müssen die verfügbaren WLAN-Netzwerke gescannt werden. Die gefundenen Netzwerke werden dann, sortiert nach Empfangs-Intensität auf dem Display angezeigt.

Hier müsste man sein eigenes Netzwerk finden, welches man dann auswählen kann.

Nachdem man sein Netzwerk ausgewählt hat, muss man das zugehörige Passwort erfassen. Das erfolgt mit folgender Auswahl von allen in einem WLAN-Passwort möglichen Zeichen.

Man kann nun Zeichen um Zeichen mit den Up-, Down-, Left- und Right-Tasten auswählen und dann mit der Select-Taste (das ist die mittlere) übernehmen. Das Passwort (unterste Zeile) wird nun Zeichen um Zeichen zusammengesetzt, bis es dem aktuellen Passwort entspricht (*).

Der Name des ausgewählten Netzwerkes und das eingegebene Passwort werden nun für die Verbindung zum Internet verwendet. Bei der Version mit der autonomen Uhr werden Netzwerk-Name und Passwort an die Uhr übermittelt. Bei der Mutteruhr-Variante erfolgt die gezeigte Erfassung direkt in der Mutteruhr und wird auch dort verwendet.

(*) Passwort aus Datenschutz-Gründen geändert. Das aktuelle Passwort ist dem Autor bekannt.

Schrägverzahnung gegenüber Pfeilverzahnung

Bei meinen Bahnhof-Uhren haben die Getriebe Schrägverzahnung, damit die Zahnräder sanfter abrollen, als bei Gerade-Verzahnung. Obwohl die Getriebe sehr fein und fast geräuschlos "arbeiten", kommt es gelegentlich vor, dass das grosse Zahnrad etwas seitlich abdriftet. Keine Ahnung warum. Man könnte meinen, dass es wegen der durch die Schrägverzahnung entstehenden axialen Kräte abdriftet. Aber das ist nicht so, denn manchmal driftet es auf die entgegengesetzte Seite ab, gegenüber der, die man eigentlich erwarten würde. Und zudem trat das Abdriften auch bei der Gerade-Verzahnung auf.

Das Abdriften sieht so aus:

Wenn man genau hinschaut, sieht man, dass das grosse (getriebene) Zahnrad seitlich um einen knappen Millimeter versetzt ist.

Es sollte aber eigentlich so aussehen:

Die beiden Zahnräder sind "bündig", also keine seitliche Versetzung.

Das mit der Versetzung (erstes Bild) ist zwar nicht weiter schlimm, aber nach einer Weile "spickt" das grosse Zahnrad zurück in die "bündig-Position" und das hört man als ganz leichtes Knacken.

Heute (nein, es war gestern, jetzt ist ja schon morgen ) habe ich dann einen Versuch gewagt, indem ich die Zahnräder nicht mehr einfach nur schräg verzahne, sondern doppel-schräg (ich glaube, man nennt das dann Pfeil-Verzahnung). Im Onshape sieht das so aus:

Pfeilverzahntes Zahnrad

Und an der Uhr sieht das so aus:

Pfeilverzahnte Zahnräder beim Sekunden-Antrieb der Uhr (rot) gegenüber Schrägverzahnung beim Minuten-Antrieb (blau).

Das war ein Vollerfolg. Das grosse Zahnrad - trotz seiner Elastizität - kann jetzt nicht mehr seitlich abdriften. Die Pfeilverzahnung verhindert das. Das Getriebe läuft jetzt noch feiner als vorher. Die leichten Knackgeräusche sind jetzt ebenfalls Geschichte. Voraussichtlich werde ich künftig alle Getriebe in Pfeil-Verzahnung herstellen.

Zitat von 11465 - Oerlikon

Mit der Pfeilverzahnung imitierst Du das Logo von Citroën

Hat Citroën nicht ihr Logo ...

... vor ein paar Jahren zu dem gewechselt?

Bahnhofuhr 3. Generation (Mutter und Tochter)

Meine erste Bahnhof-Uhr nach dem Mutteruhr-Konzept läuft.

Im Bild sieht man die (bisher einzige) Tochteruhr (in einem provisorischen Gehäuse, das ich grad noch hatte) und im Vordergrund die Mutteruhr (beim Kabelgewirr, zur Zeit noch ohne Gehäuse) (*).

Die Software, sowohl bei der Mutter wie auch bei der Tochter, ist soweit erstellt und läuft einwandfrei. Es sind nur noch Kleinigkeiten, an denen ich zur Zeit noch herumfeile. Die Real-Time-Clock (RTC) und die ganze Zeit-Verwaltungs-Logik sind nun in der Hard- und Software der Mutter integriert. Die Software der Tochter ist gründlich abgespeckt und enthält eigentlich nur noch die Zeiger-Steuerung. Der Sekundenzeiger macht seine jeweilige Runde autonom, der Beginn jeder Runde wird aber vom Minuten-Impuls der Mutter getriggert. Der Minuten-Impuls sorgt auch dafür, dass die Stellung des Minuten-Zeigers aktualisiert wird.

Die Mutteruhr sendet die Minuten-Impulse nicht an einen bestimmten Empfänger, sondern sendet sie einfach in den Raum. Man nennt dies Broadcast-Mode. Jede Tochteruhr, die entsprechend programmiert ist, kann das Signal empfangen. Mit diesem Konzept können beliebig viele Töchter von einer Mutteruhr gesteuert werden, ohne dass man die Mutter entsprechend konfigurieren muss. Man kann also während des laufenden Betriebes Töchter hinzufügen oder entfernen.

(*) Ich bin mir bewusst, dass das Bild nicht besonders spannend ist, weil man gegenüber den bisher vorgestellten Uhren keinen Unterschied sieht. Ich verwende meine Bau-Threads unter anderem als eine Art Tagebuch, damit ich später selber nachschauen kann, was ich wann gemacht habe.