Elektronik der Sternzeituhr

So könnte die Elektronik für den Umbau eines 24-Stunden Uhrwerkes aussehen. Weiter unten finden Sie eine Variante von DM1KL, die mit wenigen Bauteilen auskommt. Die Aufbaubeschreibung für die Sternzeituhr findet man im Praxisheft 19 , AATiS e.V.

Leider habe ich weder die notwendige Software zum Programmieren des PICs noch Erfahrung damit. Ich wäre daher sehr dankbar, wenn sich ein Bastler findet, der sich kritisch mit dem Entwurf auseinandersetzt und das HEX-File für den PIC erstellen kann. Dann könnten sich Astronomiefreunde eine wirkliche Sternzeituhr nachbauen. (Meine verwendet einen nicht mehr verfügbaren Spezialquarz und ist daher leider nicht 1:1 nachbaubar.)

Der PIC müsste die Quarzfrequenz 15 mal durch 2 teilen um am Anschluss JP2 den Steppmotor der Uhr im Sternzeittakt zu steuern. Am JP3 kann man einen Oszillografen bzw. einen Frequenzmesser anschließen, um die Taktfrequenz über den Trimmkondensator C6 so zu ziehen, dass der Stepper mit "Sternzeitsekunden" getaktet wird. An JP1 können als Spannungsquelle entweder zwei 1,5 V-Batterien in Reihe oder eine 9V-Blockbatterie verwendet werden der IC 2 regelt auf die Betriebsspannung von 2...2,25 V herunter. Mit den Tastschaltern S1 und S2 wird der Taktgeber auf Schnelllauf bzw. Stopp umgestellt, damit man die Uhr genau abgleichen kann.

Quarze mit 32,85866 kHz sind aber kein Standard und daher schwer zu beschaffen.

Es gibt seit geraumer Zeit einen Anbieter, der auch Uhren mit Sternzeit (Siderialtime) als 12- und 24-Stunden Laufwerke zu guten Preisen anbietet: https://www.tindie.com/products/nsayer/crazy-clock/

Bild 1

Bild 2

Für eine Sternzeituhr werden Impulse zur Ansteuerung des Sternsekundenzeigers benötigt. Dabei sind mehrere Dinge zu beachten:

1.Die Stromaufnahme der Schaltung sollte nicht zu groß sein, da die Uhr über Monate – besser Jahre – durch Batterien versorgt werden soll.

2.Für die Ansteuerung des Uhrwerks müssen Signale, wie im Bild 2 gezeigt, generiert werden.

Um eine möglichst geringe Stromaufnahme bei hoher Ganggenauigkeit zu erreichen, bietet sich der Einsatz von Uhrenquarzen, mit einer typischen Resonanzfrequenz von 32,768kHz an. Diese sind leicht und günstig zu beschaffen. Für eine normale Uhr währe die Ansteuerung einfach. Um einen Sekundentakt zu erzeugen, muss die in einem Quarzoszillator erzeugte Frequenz nur durch 32768 (=2¹⁵) geteilt werden. Dies lässt sich beispielsweise mit 15 hintereinander geschalteten 2:1 Teilern, die sich einfach aus je einem Flip-Flop realisieren lassen, erreichen. Für Sternsekundenimpulse beträgt der Teiler jedoch ca. 32678,5. Mit diskreten Bauelementen aufgebaut würde die Schaltung unnötig groß werden. Die Wahl fiel deshalb auf einen Mikrocontroller, der einen passenden Oszillator integriert hat und eine geringe Stromaufnahme aufweist. Die Tiny-Modelle aus der 8bit Mikrocontrollerfamilie von Atmel erfüllen diese Voraussetzungen. Der gewählte ATtiny12L ist zwar bereits abgekündigt, lässt sich jedoch auch durch einen ATtiny13V oder ATtiny13A ersetzen. Wichtig ist es, jeweils die „low-voltage“ Typen (VCC=1.8V..5V) zu wählen, um das Uhrwerk mit zwei in Reihe geschalteten Primärzellen betreiben zu können.

Die Schaltung selbst benötigt lediglich zwei zusätzliche Bauteile: R1 um die Resetleitung auf High-Pegel zu halten. Es wurde ein Widerstand gewählt, um direkt in der Schaltung einen Programmieradapter verwenden zu können, der Zugriff auf die Resetleitung benötigt. Wird nicht direkt in der Schaltung programmiert, kann R1 auch weggelassen und RESET direkt mit VCC verbunden werden. C3 dient dem Abblocken der Versorgungsspannung. Um Versorgungsspannungseinbrüche beim Stromfluss durch die Spule des Uhrwerks zu dämpfen, empfiehlt es sich auch ein Kondensator (Größenordnung 100µF) parallel zu C3 zu schalten. Die Schaltung läuft dann auch mit hochohmigen Batterien noch etwas länger – dies hilft übrigens auch bei „normalen“ elektromechanischen Uhren mit Batteriebetrieb. Bei Verwendung der DIP-Gehäuse-Variante lassen sich alle Komponenten bequem auf einem kleinen Stück Lochrasterplatine unterbringen.

Das vorliegende Uhrwerk ließ sich nur durch Spannungsimpulse mit jeweils unterschiedlicher Polarität bewegen. Die Software generiert dafür an PB1 und PB2 die in Bild 2 gezeigten Signale und realisiert die Teilung des Quarztaktes durch 32678,5.

Da der Quarz nicht unbedingt exakt auf 32768kHz schwingt (Toleranzen in der Fertigung, ungenaue Lastkapazität, Temperatureinfluss, Alterung...) kann ein Abgleich erforderlich sein. Dieser kann entweder elektrisch erfolgen, indem C1 ein trimmbaren Kondensator parallel geschaltet wird (C1 dann eventuell kleiner wählen). Alternativ kann der Abgleich des „Sternsekundenimpulses“ auch durch Anpassen des Teilers in der Software auf die aktuelle Quarzfrequenz erreicht werden. Dafür wird gerne die aktuelle Version des Programms (Assembler) und eine Anleitung zum Berechnen des Teilers weitergegeben.

Hier das von Sebastian bereitgestellte Hex-Dump.

Fragen zum Feinabgleich und zur Schaltung an: dm1kl@darc.de

Es gibt wieder die Möglichkeit, ein Uhrwerk mit siderialtime zu erwerben, mal nach "Crazy Clock" suchen.