Horloge comtoise déco

Cette horloge a été conçue à partir du mécanisme d’une horloge comtoise pour se transformer en objet de décoration. L’horloge comtoise récupérée a été dépouillée de sa gaine, de son cadran d’origine et de son balancier d’origine. Seul le mécanisme et les deux poids ont été récupérés. Le mécanisme a été installé sur un socle en merisier verni qui vient s’accrocher au mur. La restauration complète du mécanisme a été effectuée afin de rendre l’horloge parfaitement fonctionnelle. Cerise sur le gâteau, l’horloge a été équipée d’un système de remontage automatique et d’un système de régulation électronique à quartz.

Ainsi, il n’est plus nécessaire de la remonter manuellement une fois par semaine. Un petit moteur électrique se charge d’effectuer le remontage deux fois par jour et d’une façon automatiquement.

Le but de ce projet a été de mélanger les genres, le moderne et l’ancien, pour réaliser un objet de décoration original. Et pour mettre à l’honneur cette mécanique robuste qui s’est imposée dans l’horlogerie pendant deux siècles, nous avons choisi de la placer au centre du décor; elle qui habituellement restait complètement invisible derrière son cadran. Pour la partie « moderne », nous avons utilisé les matériaux et technologies les plus contemporains. Pour les matériaux: le plastique et le plexi-glass. Pour les technologies: l’impression 3D, l’utilisation de la micro-électronique et la précision d’une régulation à quartz.

Un nouveau cadran a été réalisé à l’aide d’une plaque en plexi-glass de 4 mm d’épaisseur sur laquelle est venu se positionner, par collage, un décor de pourtour, un fronton décoratif et les chiffres romains du cadran. Les deux portes latérales ont été réalisées également en plexi-glass (épaisseur 2,5 mm).

Un nouveau balancier a été réalisé avec des matériaux très différents; bois, acier, aluminium, matière plastique. Les différentes décorations en plastique ont été réalisées à l’aide d’une imprimante 3D.

LE BALANCIER:

Le balancier est constitué d’un bloc de forme octogonal pesant 670 g à l’intérieur duquel coulisse le bras de balancier constitué d’un liteau de merisier d’une section de 5 x 30 mm. Sur les balanciers que l’on rencontre souvent, ce bloc est de forme circulaire et on l’appelle « la lentille ». Une simple tige filetée de 4 mm a été fixée au bas du liteau. Ainsi, la lentille (octogonale) repose sur l’écrou moleté en plastique réalisé en impression 3D.

Pour facilité le réglage de l’horloge, un repérage a été effectué sur l’écrou de réglage du balancier. On peut déterminer qu’un écart de 1 seconde par jour est produit par un déplacement du centre de gravité de 2,3/100 de mm. Nous avons réalisé un marquage de trente divisions sur le pourtour de l’écrou. La rotation de l’écrou (dont le pas est 0,7) d’une division à l’autre procure donc un déplacement du centre de gravité de 0,7 / 30 = 0.0233333 (soit approximativement 2,3/100). Un tour complet de l’écrou procure un écart de 30 s par jour en avance ou en retard selon le sens de rotation de écrou.

Rappel !… Pour faire avancer une horloge qui retarde, il faut visser l’écrou. Inversement, pour faire retarder une horloge qui avance, il faut dévisser l’écrou. Attention! l’écrou est à l’envers. Le vissage procure un déplacement du centre de gravité du balancier vers le haut…(introduction d’une avance) et inversement, le dévissage procure un déplacement du centre de gravité du balancier vers le bas (introduction d’un retard).

LE SOCLE:

Le socle supportant l’horloge a été réalisé en merisier. Il est constitué d’une tablette au niveau de laquelle plusieurs ouvertures ont été effectuées pour laisser passer les deux cordes de suspension des poids, le bras de balancier et l’alimentation électrique pour le remontage automatique. Deux flancs situés de chaque côté supportent la tablette. L’écartement de ces deux flancs est maintenu par deux petites étagères dont l’une d’entres-elles, la plus basse, pourra recevoir un ou deux petits objets décoratifs. Un système d’accrochage mural a été conçu pour facilité le réglage de l’aplomb à l’aide de 2 vis M3.

système d’accrochage du socle sur le mur

Plan de la tablette support (vue de dessus)

LE REMONTAGE AUTOMATIQUE:

Ce remontage automatique a, bien entendu, été réalisé pour se soustraire à la remontée manuelle fastidieuse à laquelle il fallait se plier chaque semaine, mais aussi pour éviter la descente des poids pratiquement jusqu’au sol alors qu’ils n’allaient plus être protégés par l’ancien meuble de la comtoise.

Pour réaliser ce remontage, deux pignons d’engrenage de 76 dents ont respectivement été installés sur chacun des axes de barillet, juste derrière chaque pilier avant. Un ergot (doigt de barillet) a été fixé sur chacun des tambours de barillet. Et un doigt entraîneur sur chaque pignon d’engrenage permet de faire tourner le barillet en s’appuyant sur chacun des ergots de tambour. Les deux pignons d’engrenage de 76 dents sont actionnés en même temps lors du remontage par l’intermédiaire d’un motoréducteur alimenté en 12V équipé d’un pignon de 16 dents et par un pignon intermédiaire de 30 dents.

Le remontage automatique nécessite une simple alimentation continue de 12V, 4 relais DPDT, 3 contacts, 2 condensateurs et 2 résistances. Voir le schéma de la carte relais un peu plus bas.

En outre, l’utilisation d’une régulation électronique et d’une horloge à quartz, va permettre de déclencher le remontage à heure régulière. Ainsi, le remontage sera déclenché par l’horloge à quartz deux fois par jour à 7h45 et à 19h45 par l’intermédiaire du relais Rcmd.

Pendant le remontage, les deux pignons d’engrenage sur l’axe de chaque barillet effectuent une rotation dans le sens contraire de rotation des aiguilles pendant un peu moins d’un demi-tour de barillet en entraînant la remontée des 2 poids. Le moteur en fin du remontage s’arrête par l’intermédiaire du contact FC2. Et après une temporisation d’une demi-seconde, les engrenages effectuent une rotation dans le sens inverse (sens des aiguilles) pour venir se repositionner à leurs positions de départ. La remontée des poids se fait sur une hauteur d’environ 15 cm. Les poids redescendent ensuite lentement jusqu’au déclenchement d’un prochain remontage 12 heures plus tard. Au remontage, l’arrêt du moteur est effectué par le microcontact « FC2 » par l’intermédiaire d’une came solidaire de l’un des pignons de 76 dents (en l’occurrence celui monté sur l’axe de barillet des heures). Lors de la rotation en sens inverse, le moteur s’arrête par l’intermédiaire du contact FC1.

Plans des principales pièces du remontage automatique

Le moteur utilisé se trouve facilement dans le commerce (sur internet). Son prix est d’environ 25,00€ (voir photo du moteur). L’axe d’un diamètre de 8 mm a dû être réusiné à 4 mm pour permettre la fixation d’un pignon de 12 dents. Pour piloter le moteur, nous avons utilisé un petit module électronique que l’on trouve très facilement dans le commerce et qui est généralement vendu pour la commande de moteurs utilisés sur les montages d’essais utilisés avec un « arduino ». Ce module a été conçu autour du circuit L298N (double pont en H) et il permet de commander un ou deux moteurs courant continu dans les deux sens. Son prix est de 7,00 €. Or, l’utilisation de ce module n’a pas été très concluante et nous avons choisi l’utilisation d’un système par relais pour commander le moteur et pour effectuer le remontage. Le module a tout de même été conservé et nous nous en sommes servi, malgré tout, pour effectuer la régulation, pour déclencher le remontage à intervalle réguliers et pour fournir l’alimentation 5V au microcontrôleur et au circuit MCP79401. L’alimentation électrique de l’ensemble est fournie par un bloc d’alimentation de 12V – 4A.

REGULATION:

Comme indiqué plus haut, un système de régulation a été réalisé pour permettre d’avoir une horloge parfaitement à l’heure. Pour cela, on a utilisé un circuit spécialisé RTCC microchip MCP79401 qui possède une horloge temps réel pilotée par un quartz et dont la date et l’heure sont sauvegardées par une pile (pile bouton CR2032). En cas de coupure d’alimentation secteur, lors du retour de la tension, le programme se réinitialise et reprend l’heure exacte.

Le quartz utilisé possède une fréquence de fonctionnement de 32768 Hz. Mais la précision donnée par les constructeurs est en général de +/- 20 ppm. Cette précision dépend de nombreux facteurs, tels la température, les vibrations subites par le quartz ou son viellissement. Pour cela, le registre OSCTRIM à l’adresse 0x08 du circuit MCP 79401 permet de réduire la dérive de l’horloge RTCC. Ce paramètre permet d’ajouter ou de retrancher à chaque minute un certain nombres d’impulsions lors du comptage des impulsions. Cela permet de calibrer l’horloge pour que la dérive sur un an ne dépasse pas 32 s. La valeur de ce paramètre est ajustable de 0 à 128. Un sous-programme a été établi pour pouvoir modifier ce paramètre à l’aide du clavier à 4 touches. Le clavier permet également d’effectuer la mise à l’heure de l’horloge RTCC et l’heure de mise en route ou d’arrêt de la sonnerie (lorsque le système de blocage de la sonnerie a été installé).

Une horloge comtoise ne possède pas une très grande précision. Elle est tributaire de la température, de la pression atmosphérique et des nombreux freinages mécaniques qu’elle peut subir lors de son fonctionnement. Pour cette raison, un système de régulation a été imaginé pour pouvoir la caler sur une horloge plus précise: une horgoge à quartz. Toutes les 2 heures, l’écart entre l’horloge comtoise et l’horloge à quartz est mesuré.

Pour effectuer la régulation, une photocellule permet de repérer la position de la grande aiguille de l’horloge comtoise. Si l’horloge avance, le programme effectue un blocage de la roue d’échappement pour un temps correspondant à l’avance prise par l’horloge depuis la dernière mesure. Les mesures sont effectuées toutes les 2 heures. Elles sont effectuées lors des heures impairs (1 h00, 3h00, 5h00, 7h00, 9h00, 11h00, 13h00, 15h00, 17h00, 19h00, 21h00 et 23h00). Si l’horloge a tendance à retarder, la régulation ne peut pas s’effectuer. Il faut donc s’arranger pour faire légèrement avancer l’horloge en vissant la vis de réglage du balancier afin que l’horloge ait tendance à avancer d’une ou deux secondes par heure.

Module L298N (commande du moteur et de la régulation)

Supposons une horloge qui avance en moyenne de 1 s par heure. Sans régulation, au bout d’un mois l’horloge avancera de 12 mn. Pour effectuer le blocage de la roue d’échappement pendant quelques secondes sans compromettre le mouvement du balancier, une simple petite brosse commandée par un électro-aimant a été utilisée. Lorsque l’électro-aimant est actionné, la brosse vient s’encastrer dans les dents de la roue d’échappement et empêche sa rotation. La position verticale de la grande aiguille est repérée par une languette métallique fixée sur l’engrenage qui entraine directement la grande aiguille et qui passe dans un capteur photo-électrique à fourche. Lorsque la position est détectée par la photocellule, le temps d’avance ou de retard à ce moment là, permet de déclencher (ou non) le blocage momentané de la roue d’échappement. Si le système détecte une avance, un blocage est effectué pour une durée équivalente à l’avance mesurée. Si le système détecte un retard, il n’y a pas de blocage de la roue d’échappement.

Système de blocage de la roue à échappement

Le blocage de la roue d’échappement ne doit pas se faire de manière brutale car celle-ci est mécaniquement solidaire du balancier et celui-ci ne doit pas subir de sollicitation importante qui pourrait conduire à une perte d’élan empêchant l’échappement à la fin du blocage et conduisant donc à l’arrêt de l’horloge. C’est pour cette raison qu’une brosse venant se positionner sur la denture de la roue d’échappement lors du blocage a été utilisée. La brosse empêche la rotation du mouvement normale de la roue sans empêcher un mouvement d’oscillation généré par le balancier. Pendant le blocage, le balancier n’étant plus entraîné commence à subir une perte d’amplitude. Par précaution, on a limité le temps maximum de blocage à 10 s. Ainsi lorsque le blocage ne dure pas plus de 10s, l’échappement se perpétue; le balancier reprenant son élan pour continuer à faire fonctionner l’horloge.

Si le temps de blocage calculé est supérieur à 10s, le programme effectue un blocage de 10s toutes les minutes.

Exemple: si à 9h00 l’avance est de 25 s, à 9h00 (de l’horloge à quartz) le blocage est effectué pour une durée de 10s, puis la roue d’échappement est libérée. A 9h01, le blocage est à nouveau effectué pour une durée de 10 s puis la roue d’échappement est libérée. A 9h02, le blocage est effectué pour une durée de 5 s, puis la roue est libérée jusqu’à la prochaine régulation à 11h00.

Détection de la position de la grande aiguille sur le XII

Le programme a été conçu pour établir une régulation dans l’intervalle de 2 mn avant le positionnement de la grande aiguille sur le XII pour les heures impaires. Cela signifie que si l’horloge accuse une avance de plus de 2 mn suite à une mauvaise mise à l’heure après un arrêt inopiné par exemple, l’avance prise en compte sera de 120 s et 12 blocages successifs se produiront toutes les minutes pendant 12 mn. Il sera donc important de positionner les aiguilles pour que l’heure affichée par la pendule soit la plus proche possible de l’heure exacte affichée par l’horloge à quartz. Le calcul du retard est effectué jusqu’à 1 mn après le passage à l’heure exacte. Lorsqu’on positionnera les aiguilles il sera préférable de donner à la pendule une très légère avance plutôt qu’un léger retard. Ainsi la pendule se mettra plus rapidement à l’heure.

ARRET SONNERIE PENDANT LA NUIT (OPTION):

En option, un système de blocage a été conçu pour permettre d’arrêter la sonnerie durant la nuit. Il est constitué d’un électro-aimant positionné de façon à bloquer le déclenchement de la « grande détente » lorsque la grande aiguille se positionne sur XII. Par le clavier, on peut choisir l’heure d’arrêt de la sonnerie et sa remise en route le matin. Le système peut arrêter la sonnerie après 21h, après 22h ou après 23h le soir. La remise en route peut se faire après 6h, après 7h ou après 8h le matin. La fonction est mise en service ou hors service à l’aide d’un interrupteur facilement accessible sur le côté gauche de l’horloge.

Système de blocage de la sonnerie la nuit (option)

Schéma de la carte principale:

Schéma de la carte relais

Le composant essentiel du circuit est le microcontrôleur microchip 16F886. Il comporte 28 broches. Le second composant important est le circuit intégré microchip MCP 79401. Horloge RTC. Ce composant fournit une horloge temps réel piloté par un quartz de 32768 Hz. Les valeurs date et heure sont disponibles en permanence lorsque l’on connecte une pile de 3V sur la broche 3 du composant. En l’occurrence, nous avons utilisée une pile bouton CR2032. Le circuit RTC MCP79401 est relié au microcontrôleur par un bus I2C. Le circuit possède un afficheur LCD de 2 lignes de 8 caractères fonctionnant en mode 4 bits. Il permet d’afficher en permanence l’heure, minutes et secondes sur la première ligne. Il affiche sur la deuxième ligne l’avance ou le retard (en secondes) pris par l’horloge; valeurs mesurées toutes les 2 heures.

Un clavier de 4 touches permet de:

Mettre à l’heure l’horloge à quartz une fois la pile insérée (ou si on constate une dérive importante au bout de plusieurs mois).
Rentrer la valeur de la calibration permettant d’avoir une horloge RTC parfaitement juste (dérive maxi 32 secondes par an si l’horloge est bien calibrée).
Entrer les valeurs de l’heure d’arrêt de la sonnerie le soir et l’heure de mise en service de la sonnerie le matin lorsque l’arrêt sonnerie la nuit est en service.

Le module L298N est fixé sur la carte électronique et raccordé au microcontrôleur au niveau des broches RC1, RC5 et RC6. La broche RC5 sert à commander le moteur. La broche RC1 permet la commande de l’électro-aimant de la régulation. La photocellule « CELREGUL » permet de détecter la position de la grande aiguille lorsqu’elle pointe sur le XII. Un bouton poussoir « BPREMONT » permet de déclencher un remontage manuellement, le cas échéant, quand on le souhaite. Une alimentation extérieure de 12 V alimente directement le module L298N. Le module produit une alimentation 5 V dont on se sert pour alimenter le microcontrôleur et le circuit RTC.

La carte électronique possède également un circuit permettant de commander un électro-aimant pour bloquer la sonnerie lorsque le dispositif d’arrêt sonnerie la nuit est installé. La commande est faite par l’intermédiaire de la sortie RC2 du microcontrôleur et le transistor mosfet STU6N65M2.