Hauptuhr / Mutteruhr Ersatz

Vorwort

Auf größeren Firmengeländen oder Gebäuden gibt es meist eine Vielzahl von Uhren.
Diese Uhren möchte man natürlich nicht händisch stellen müssen.

Damit das funktioniert, sind die Uhren mit zwei Drähten an eine Hauptuhr oder auch Mutteruhr angeschlossen.
Diese sendet den Uhren (meistens einmal in der Minute) einen Stromimpuls, der die Zeiger der Uhr vorwärts bewegt.
Heute gibt es auch digitale Verfahren, auf die ich hier nicht eingehe.

Technik

Die einzelnen Nebenuhren habe keine Uhrwerke sondern eine spezielle Form eines Schrittmotors (Lavet-Motor), die bei jedem Umpolen der Versorgungsspannung den Minutenzeiger um eine Minute weiter bewegen.
Der Stundenzeiger wird über ein Getriebe mitgenommen.
Es gibt auch Uhren, die Sekundenimpulse benötigen. Diese sind aber deutlich weniger verbreitet.
(Sonderfall Bahnhofsuhren: Bei diesen Uhren wird der Sekundenzeiger über einen Synchronmotor angetrieben und zu jeder vollen Minute mit dem Minutenzeiger mechanisch synchronisiert.)
Der einfache Aufbau macht diese Uhren sehr robust und praktisch wartungsfrei.
Die Idee Uhren zentral zu steuern ist recht alt und wird seit über 100 Jahren angewendet.
Meines Wissens wurden zentral gesteuerte Uhren zuerst von der Bahn eingesetzt, um an allen Bahnhöfen die genaue Uhrzeit verfügbar zu haben.

Siehe hierzu auch der Artikel bei Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Uhrenanlage

Möchte man eine solche Uhr in Betrieb setzen, benötigt man also eine Einrichtung, die Jede Minute einen Impuls an die Uhr(en) sendet.
Diese Einrichtung wird als Hauptuhr oder auch Mutteruhr bezeichnet.

Je nach Größe der Uhrenanlage (so wird ein Verbund aus Hauptuhr und mehreren Nebenuhren genannt) kommen unterschiedliche Versorgungsspannungen zum Einsatz.
Üblich sind die Spannungen 12, 24, 48 und 60 Volt.
Wenn man eine unbekannte Uhr erhalten hat, muss man diesen Parameter zunächst in Erfahrung bringen!
Bei vielen Uhren ist die Betriebsspannung durch das Umlegen von Klemmen änderbar.

Konstruktionsbedingt können die Nebenuhren nur vorwärts laufen.
Möchte man die Uhren zurückstellen, darf man sie einfach nicht ansteuern und muss warten, bis die gewünschte Zeit verstrichen ist.
Um sie vorzustellen, müssen zusätzliche Impulse gesendet werden.

Es ist abwechselnd ein positiver und in der nächsten Minute ein negativer Stromimpuls nötig, um den Rotor des Antriebsmotors um jeweils einen Schritt weiterzudrehen.

Die oben abgebildete T&N Nebenuhr aus den 50er Jahren habe ich vor der Verschrottung retten können.
Sie soll nun wieder zum Leben erweckt werden.

Der von mir entworfene Hauptuhr "Ersatz":

Meine Anforderung war es, eine einzelne Uhr vorzugsweise mit Batterien betreiben zu können.
Ein Umbau der (schon historischen) Uhr auf z.B. ein Quarzuhrwerk kommt für mich nicht in Frage.
Es geht doch nichts über den markanten "Klack" beim Weiterspringen des Minutenzeigers!
Da heute Mikrocontroller fast nichts mehr kosten, war die Entscheidung schnell getroffen die Steuerung um einen Mikrocontroller herum zu entwickeln.

Das ermöglicht einige nette zusätzliche Funktionen:
Wird die Minuten Taste kurz gedrückt, wird die angeschlossene Uhr um eine Minute vorgestellt. Hält man die Taste gedrückt, werden durchgehend Impulse gesendet um die Uhr vorzustellen.
Beim Drücken der Minuten Taster wird zusätzlich der interne Sekundenzähler auf "0" gesetzt, womit ein sekundengenaues Stellen möglich ist.
Die Stunden Taste stellt die Uhren um eine Stunde vor. Hält man die Taste länger als eine Sekunde gedrückt, wird die Uhr für eine Stunde angehalten.
Das ermöglicht eine komfortable Umstellung zur Sommer / Winterzeit.

Hinter dem Ziffernblatt ist jede Menge Platz um die Steuerung und die Batterien unterzubringen.
So ist von der Technik nichts zu sehen.

Die Schaltung:

Die Schaltung gestaltet sich durch den Einsatz eines Mikrocontrollers recht übersichtlich.
Zum Einsatz kommt der von mir für kleine Anwendungen bevorzugte ATtiny2313a.

Zeitreferenz ist ein 11.059200 MHz Baudratenquarz.
Diese Frequenz wird bereits durch den Vorteiler /8 auf 1.382400 MHz geteilt.
Das ist dann der reduzierte Systemtakt des Mikrocontrollers, was hilft Strom zu sparen.

Die tatsächliche Schwingfrequenz eines Quarzes hängt von externen Faktoren ab.
Da Quarzoszillatoren selten ganz genau die Sollfrequenz treffen, kann man durch einen Trimmkondensator (C4, ca. 5-30pF ) die Frequenz justieren.
Ist das entsprechende Fusebit im Mikrocontroller gesetzt, kann der Systemtakt an Pin 6 abgegriffen und mit einem Frequenzzähler gemessen werden.
Anstatt den Quarzoszillator zu justieren kann man auch die tatsächliche Taktfrequenz im Programmcode angeben.
Grundsätzlich sollte man die Uhr eher leicht nachgehen lassen, da man Nebenuhren ja nicht zurückstellen kann!
Eine gewisse Abweichung wird eine Quarzuhr immer haben, da einfache Quarzoszillatoren immer eine Temperaturdrift aufweisen.

Das Brown-Out Fusebit habe ich auf 1,8V eingestellt, da das die kleinste Spannung ist, mit der der Mikrocontroller noch zuverlässig arbeitet.
Fällt die Versorgungsspannung unter diesen Wert ab, wird der Controller zurückgesetzt und die Uhr bleibt stehen.

Der Mikrocontroller schaltet jede Minute abwechselnd T1+T3 oder T2 für je 500ms ein.
Sind T1+T3 eingeschaltet, erhält die Uhr über den sich aufladenden Elektrolytkondensator C2 einen positiven Impuls.
Wird in der nächsten Minute T2 eingeschaltet, entlädt sich der Kondensator wieder und sendet der Uhr somit einen negativen Impuls.

Spannungsversorgung:

Den Mikrocontroller versorge ich über zwei C (Baby) Zellen.
Die Spannung für den Lavet-Motor der Uhr kommt aus in Reihe geschalteten 9V Blockbatterien.
Meine Uhr benötigt 24V. damit die Uhr zuverlässig umschaltet, habe ich drei 9V Batterien in Reihe geschaltet.

Wie lange die Batterien halten werden, kann ich noch nicht sagen.
Der Mikrocontroller verbraucht ca. 0,02 mA. Leider ist mein Messgerät in diesem Messbereich nicht sehr genau.
Aus den 9V Blöcken werden alle zwei Minuten ca. 15mA für 500ms entnommen. (Nur alle zwei Minuten, da der negative Impuls ja aus dem Elko gespeist wird!)

Die Software:

Im Wesentlichen wird aus der Quarzfrequenz zunächst ein Sekundentakt erzeugt.
Nach 60 Sekunden wird eine Variable um 1 erhöht.
Solange diese Variable > 0 ist, werden in der Hauptschleife Impulse erzeugt.
Die Variable benutze ich, da ich damit das Vor- und Zurückstellen (Anhalten) der Uhr um je eine Stunde recht einfach umsetzen kann.
Ich benutze aus Gründen der Bequemlichkeit die in Bascom integrierte DCF77 Routine, die automatisch den nötigen Teiler berechnet.

Weitere Kommentare finden sich im Bascom Quellcode: Download .zip (enthält .bas / .bin / .hex)

Wer die Steuerung nachbauen möchte, aber keine Möglichkeit hat den Mikrocontroller zu programmieren, kann sich gerne an mich wenden!
Gegen Übernahme der Versandkosten kann ich gerne diesen Service anbieten!

Zum Schluss noch ein Bild des improvisierten Einbaus. (Projekt am Wochenende, Batteriehalter müssen erst noch beschafft werden - irgendwann ;-) )