线性时钟：太阳能

在2020年期间，锁定的孤立失去了我们的时间感，我重新审视了我的钟表学实验与我们如何表达时间，线性时钟。我设计并制造了一个使用卫星导航和天文学的时钟，将时间显示为一个进度条，测量自日出以来经过的一天的百分比。第二个指标标志着蓝色的日落时间。

线性时钟的想法是通过我在CAMP的经验，为成人提供无技术的夏季营地。营地规则之一就是“留下时间” - 周末，我们搬走了手表，手机和报警，只有太阳和星星测量时间。一项活动可能持续“一天中的5％”，但没有任何东西由时钟安排，或者数小时或几分钟计数。

在日常世界中携带这种宽松的经验，2018年，我建立了一个桌子时钟，使用了Bargraph Nixie Tube将时间显示为连续增长的进度条。沿途，该项目成为电力电子，自定义PCB设计，蓝牙LE和3D打印的教程。我没有在大学正式学习电气工程，这是一个令人满意的体验，感受到一个学生再次，然后用手中的物理对象完成这个项目。

但是，它的展示有关的事情并不感觉到。根据定义，一天开始于午夜，但它与我的一天的经历与早期醒来，并将时钟告诉我四分之一已经过去了。我最喜欢基于日出和日落的东西。

在2020年的Covid锁定中，我有时间重新审视项目。建立我以前的经验，我设计并制造了一种硬件和软件设备，它使用GNSS Receiver来计算相对于日出和日落的时间。由于它来自卫星信号的时间，因此它永远不需要设置或曾因夏令时调整。我还通过在激光雕刻器和CNC路由器上切割的核桃和枫木外壳，然后通过传统的伍德商店技术完成了物理设计。

日落指示器立即有趣。夏天的日子更长，冬天更短，但我从未为自己量化。我如何使用白天和夜间时间之间的余额的清晰指标来不同地规划我的日子？

我原来的线性时钟使用了jixie管。用于双指示器的新设计要求，以及添加高压DC-DC转换器的成本，并在13个管中采购近40年的生产（近40年），导致我放弃尼克斯管以支持LED 。离散的表面安装LED是丰富和便宜的，但随着在电路板上组装的挑战，在一个完全直线的电路板上装配紧张，需要精确的机器放置。正如它所发生的那样，中国PCB制造商JLCPCB开始于2019年开始提供表面贴装组件。虽然该服务具有其限制，但它非常适合将数百个LED放在电路板上。传统的原型装配房屋通常会给数千美元充电10个董事会，但现在我可以为每张单板3美元，包括零件的3美元，在我下订单后一周提供汇编。这项设计在几年前不可能进行非商业项目。

恒流移位寄存器驱动器用于点亮LED，这使得可以仅使用单个数据线控制任意数量的LED。所需要的只是发送移位寄存器一串位，例如，10000001表示第一个和最后一个LED应该点亮。移位寄存器保持其状态，直到收到新数据，这意味着显示器不需要不断刷新。在一些研究之后，我发现了来自德州仪器的TLC5926提供了特性，可控性和合理成本的正确组合。它支持16个输出，并具有固定（通过电阻设置）的选项，可配置（由软件设置）电流输出，以及PWM调光。由于我想要至少100分的分辨率，因此每行指示灯都使用112个指示器，并且我将其舍入到16倍的下方。TLC5926S串联连接在一起，以便设置两个行的状态，微控制器发送字符串224位。

我将GNSS模块和微控制器分开到一个单独的板，因为GNSS模块在水平安装以指向天空时最佳地工作。该模块是来自U-Blox的SAM-M8Q，配有集成的贴片天线。很高兴用这个装置原型; U-Blox提供了广泛的文档，并且该模块可轻松配置，并使用ID I 2C的有效二进制协议。微控制器只需要执行天文计算并充当I 2C和SPI总线大师，因此我选择了从低成本STM32G0系列中的一部分。这是我已经熟悉的微控制器系列，所以它很容易在核田开发板上的原型，然后转到定制板上。

其余的主要逻辑板很简单：用于电源和数据之间的电源和数据之间的连接器，一个小型降压转换器提供调节电压，超级电容器备份在短暂拔出时钟后加快卫星采集，以及诊断端口和指示灯编程和调试微控制器。 GNSS模块位于一个大地倒，实际上是天线设计的一部分。

我直观地理解，如果你知道的日期和时间，以及你在地球上的位置，你应该能够确定太阳的相对位置，并且当它将越过地平线时。但我从来没有拍过天文学，所以确切的方法做这一点是一个神秘的东西。我依靠天文算法，第2版，由Jean Meeus（现已在印刷品上）来了解此计算。

在高水平，Sun的轨道元素基于GNSS获得的日期和时间来计算。在代码中，这被视为在朱利安日期计算的几个多项式。这些星期六是天体在太阳能系统中的天体运动的N体问题的近似解。因此，他们最终会随着时间的推移而徘徊，但应该保持合理准确的几千年。其余的计算是从EGliptic到赤道坐标系的坐标变换，最后到从GNSS获得的纬度和经度的地球上观察者的水平坐标系。为了在夜间保持舒适亮度，LED输出在暮光之城的基础上平滑调整，基于太阳的高程。

出于实际原因，海拔高度和地形的影响不会生效。 Meeus描述了在计算日出和日落时使用的简单的高度校正，但我发现来自SAM-M8Q的高度数据不准确并受到很多漂移。在极端情况下，报告的海拔地区的漂移可能会使当天进度条倒退。此外，由于计算完成了海平面的地平线，生活在山坡上的人可能对日出和日落时的时间有不同的意见。

最后，地球上有地方，在一年中的某些部分，太阳从未升起或套装！我从来没有住在一个有极地的日子或午夜的地方，我不确定在这些地方和时间有意义的时钟。尽管如此，我使用的解决方案是标记太阳最接近地平线的一天的开始和结束。这使得解决方案连续，从某种程度上观察时的人在一年中的某些时候观察到北极圈的人会看到当天进度条正常提前，而日落指示器将在消失前朝向0或100移动共。

时钟固件的整体结构非常简单。配置SAM-M8Q发送常规更新后，它等待来自GNSS模块的中断，然后根据SUN的位置计算日级分数，并将序列发送到移位寄存器驱动器，以打开或关闭显示LED显示显示LED 。

我知道我想用木头建造一个围栏。我受到旧金山现代艺术博物馆的饮食公羊工作的展览的Braun电器工业设计的影响。在我的脑海里，我描绘了一个带有鲜明对比的核桃和枫木元素的中间人风格的设计。

原来的Nixie管线性时钟使用了3D印刷的外壳，我通过形状为塑料制作。这让我在不考虑如何制造外壳的情况下考虑设计，但也令人昂贵且耗时。

我研究了几种翻译了我想到的设计的可能性，以实现可行的制造过程。我认为围绕外框架形状的形状弯曲层压板。它效果弯曲的弯曲胶合板难以困难，它仍然有一个接缝。我也想到了从一块坚固的木块开始，碾磨中心，但是非常厚的硬木板很难来源，大多数终端磨机最多可以削减3/4“或1”。更长的磨机很少见，因为它们更加偏转，导致部件表面上的刀具破损或喋喋不休。

我选择的方法是切割从4/4木板的3/4“板的多个部分，并将它们粘合在一起。 4/4硬木木材各处都很容易可用，胶合施工是木工中实行的标准技术。使用CO 2激光雕刻器切割前面和塑料窗口，然后使用夹具在CNC路由器上铣削。从1/4“核桃板切割后盖和前挡板。

在初始原型构建中，我切割塑料窗口与面部的切口相同的尺寸。这为一个具有挑战性的装配程序，因为我不得不将塑料窗的侧面粘在一起，没有任何可见的胶水挤出。为了使这个过程万无一失，我改变了设计来磨削浅口袋，围绕面部背部的切口，并在这种形状的负面研磨较大的丙烯酸窗。现在我可以将这些隐藏的表面粘在一起，而无需担心挤出。

我最初设计了使用融合360的机箱，但在Autodesk删除了个人版本的许多功能之后，我决定提供SolidWorks的社区版试试。从融合到SolidWorks重新绘制设计是一个很好的教程，但该过程的凸轮方面是一个不同的故事。我喜欢融合360的集成凸轮功能，但SolidWorks的内置CAM选项最适合仅适用于金属铣削。我最终从SolidWorks导出了CAD图纸，以在vCarve中创建刀具路径，这不是一个非常集成的工作流程，但它有一个有用的好处：vCarve可以将所有刀具链接切割成一个程序。而不是为三个框架部件中的每一个运行单独的程序，并在其间调整机器零，我可以将一个木材板尺寸尺寸为正确的尺寸，将路由器零设置一次，并运行单个程序以获取所有三个部分切。

完成是你看到你的努力工作的步伐。 看着木材的令人满意的东西是一种令人满意的东西，因为第一层的油展开了一片深厚的色彩。 我用了一个桐油饰面，对前面的喷雾清漆。 完成后，使用胶水或胶带固定在内部，并安装了所有连接硬件。