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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.
Wer so eine Uhr hat und nutzen möchte, benötigt also eine passende Uhrensteuerung, die ich hier vorstelle!
Dieses Projekt ist eine komplette Neuauflage eines alten Projektes, welches einige Designschwächen hatte.
Im Detail waren das der für Batteriebetrieb zu hohe Stromverbrauch, die nötige Kalibrierung und eine unzureichende Ansteuerung der Uhr.
Die Technik der Nebenuhren:
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 Zahnräder 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. Am gängigsten ist scheinbar 24V.
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.
Für dieses Projekt ist es natürlich erstrebenswert eine Spannung zu verwenden, die man mit vertretbarem Aufwand durch Batterien in Reihenschaltung erreichen kann.
Konstruktionsbedingt können die Nebenuhren nur vorwärts laufen.
Rückwärts können sie, wenn überhaupt, nur manuell verstellt werden.
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 ist eine meiner Nebenuhren.
Für sie und zwei weitere Nebenuhren soll eine batteriebetriebene Steuerung entwickelt werden.
Der von mir entworfene Hauptuhr "Ersatz":
Meine Anforderung war es, die Uhren vorzugsweise mit Batterien betreiben zu können, damit man keine Zuleitungen verlegen muss und die Uhren so an einer beliebigern Stelle aufhängen kann.
Hinter den Zifferblättern ist meist viel Platz um die Technik inklusive der Batterien zu verstecken.
Ein Umbau der (oft schon historischen) Uhren auf z.B. ein Quarzuhrwerk kommt für mich nicht in Frage und ist meist auch nicht möglich ohne die Zeiger zu tauschen.
Dann soll die Uhr sich natürlich auch so verhalten wie es ursprünglich vorgesehen war. Es geht doch nichts über den markanten "Klack" beim Weiterspringen des Minutenzeigers!
Die Herausforderung beim Entwurf der Steuerung war es, eine hohe Ganggenauigkeit in Verbindung mit einem minimalen Stromverbrauch zu erreichen.
Die von mir entwickelte Lösung basiert auf einem Mikrocontroller und nutzt als Zeitbasis einen kalibrierten Echtzeituhren Chip.
Die technische Umsetzung:
Die Steuerung besteht im Wesentlichen aus einem ATtiny2313a Mikrocontroller, einen DS3231 Echtzeituhrenchip und einigen Transistoren, die als Brückenschaltung die Uhr antreiben.
Als Zeitquelle den Schwingquarz des Mikrocontrollers zu verwenden hat verschiedene Nachteile:
Der als Zeitreferenz verwendete DS3231 Chip hat drei wesentliche Vorteile:
Der DS3231 Chip wird vom Mikrocontroller über den Pin PD3 nur dann mit Spannung versorgt, wenn es nötig ist.
In der übrigen Zeit wird der Chip ausschließlich über den Anschluss für die Standby Batterie versorgt.
Das senkt den Stromverbrauch der gesamten Schaltung im Standby auf ca. 1-2 µA.
Der Mikrocontroller schaltet jede Minute abwechselnd T1+T3 und T4 oder T5+T6 und T2 für je 500ms ein.
Die Uhr erhält so jede Minute einen Impuls in jeweils umgekehrter Polarität.
Anstatt der MPSA... Transistoren können natürlich auch andere Schalttransistoren verwendet werden, diese hatte ich nur gerade verfügbar und sie erfüllen den Zweck.
Die Vorwiderstände für die Basen sind relativ hochohmig ausgelegt, um den Strombedarf zu minimieren.
Da die Transistoren nur einen Strom von weinigen 10 mA schalten müssen, werden sie ausreichend angesteuert.
Für minimalen Stromverbrauch des Mikrocontrollers muss einiges berücksichtigt werden:
Die DS3231 Chips gibt es in unterschiedlichen Ausführungen.
Die primäre Unterschiede sind ihre Ganggenauigkeit und ihre Features.
In der Schaltung sollte jede 16 Pin Version des Chips funktionieren, es werden keine speziellen Features genutzt.
Der DS3231SN ist die Version mit der höchsten Ganggenauigkeit.
Spannungsversorgung:
Die Steuerung und der Antrieb der Uhr wird aus unterschiedlichen Quellen versorgt.
Das eliminiert die Notwendigkeit eines mit Verlusten behafteten Spannungsreglers.
Die Steuerung versorge ich über drei Alkali oder besser Lithium Mignon Batterien.
Das Maß der Dinge ist das Spannungsfenster in dem der DS3231 Chip arbeiten kann.
Laut dem Datenblatt sind das 2,3 bis 5,5V.
Drei Batterien in Reihenschaltung haben zusammen 4,5V, was ausreichend Reserve bietet.
Wegen ihrer Entlade Charakteristik sind Lithium Batterien besser geeignet.
Die Schaltung ist weniger als eine Sekunde je Minute aktiv und benötigt dann etwa 2,5mA.
Die zu erwartende Lebensdauer der Batterien wird weit über zwei Jahre liegen.
Die Spannung für den Lavet-Motor der Uhr kommt ebenfalls aus in Reihe geschalteten Mignonzellen.
Der Motor benötigt zwar sehr wenig Strom (10 - 30mA für 500ms je Minute), jedoch summiert sich der Verbrauch über die Zeit auf.
Bei einem angenommen Stromverbrauch der Uhr von 15mA werden selbst einfache Alkali Mignon Batterien mindestens zwei Jahre halten.
Heute handelsübliche Alkaline Mignon Batterien haben einen Energiegehalt von mindestens 2700mAh.
Bei dem geringen Entladestrom kann man vermutlich auch den Großteil der Kapazität den Batterien entnehmen.
Zwei Batteriehalter zu je acht Batterien liefern 24V.
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Alternativ kann man natürlich auch Akkupacks verwenden! Es gibt über USB aufladbare 9V Lithium Akkus, die unter Umständen eine Alternative sein können! Rein rechnerisch dürften die etwa gut ein halbes Jahr halten. Ansonsten gibt es natürlich noch jede Menge anderer Alternativen. Unbedingt darauf achten, dass Akkus gegen Tiefentladung geschützt sind!
Benötigt die Uhr mehr als 24V wird die Versorgung aus Mignon Batterien irgendwann aufgrund von Größe und Gewicht der Batterien unpraktisch. |
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Wer eines der weit verbreiteten DS3231 Module verwenden möchte, muss sie unbedingt für minimalen Stromverbrauch modifizieren! Zunächst muss die LED deaktiviert werden. Hierzu muss die LED oder deren Vorwiderstand ausgelötet werden. Das auf den Modulen verbaute EEPROM sollte ebenfalls entfernt werden, da es je nach Version im Standby bis zu 20µA Strom ziehen kann. Weiterhin muss die Ladeschaltung für die Knopfzelle deaktiviert werden. Das passiert durch das Auslöten der Diode D2.
So preiswert diese Module auch sind, so stammen die Chips auf den Modulen oft aus zweifelhafter Herkunft.
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Die Software:
Zum Start des Programms werden die I/O Ports konfiguriert und der DS3231 Echtzeituhren Chip initialisiert.
Weiterhin wird der Interrupt INT0 aktiviert und das "pin-change" Interrupt Register passend zu den Tasten konfiguriert.
Das Alarm Register des DS3231 wird so programmiert, dass er jede Minute seinen Interruptausgang aktiviert und damit den Mikrocontroller aus dem Standby "aufweckt".
Im zugehörigen Interruptprogramm wird dann die Variable "Sollpuls" um 1 erhöht und der Alarm wieder "scharf" geschaltet.
In der Hauptschleife werden die Tasten abgefragt und die Variable "Sollpuls" ausgewertet.
Solange die Variable "Sollpuls" größer 0 ist, werden Impulse zur Uhr gesendet.
Ist nichts zu tun, wird die Stromversorgung des DS3231 abgeschaltet und der Mikrocontroller in Standby versetzt.
Die Variable benutze ich, da ich damit das Vor- und Zurückstellen (Anhalten) der Uhr um je eine Stunde recht einfach umsetzen kann.
Die beiden Tasten können den Controller ebenfalls über den "pin-change" Interrupt aus dem Standby aufwecken und werden anschließend in der Hauptschleife ausgewertet.
Weitere Kommentare finden sich im Bascom Quellcode: Download .zip (enthält .bas / .bin / .hex)
Die Fuses des Mikrocontrollers bleiben auf den Werkseinstellungen.
(1MHz interner Takt, Brown-out inaktiv)
Die Software hat neben der Takterzeugung noch einige Komfortfunktionen:
Wird die Minuten Taste kurz gedrückt, wird ein einzelner Impuls an die Uhr gesendet. Hält man die Taste gedrückt, werden durchgehend Impulse gesendet.
Beim Drücken der Minuten Taste wird zusätzlich der interne Sekundenzähler auf "0" gesetzt, womit ein sekundengenaues Stellen möglich ist.
Wird die Stunden Taste kurz gedrückt, wird die Uhr um eine Stunde vorgestellt. Hält man die Taste länger als eine Sekunde gedrückt, wird die Uhr für eine Stunde angehalten.
Das ermöglicht eine komfortable Umstellung zur Sommer / Winterzeit.
Nachfolgend Bilder des Einbaus.
Das Elektronikmodul ist mit Klebepads auf die Rückseite des Ziffernblatts geklebt, ebenso der Batteriehalter für die drei Mignonzellen für die Steuerung.
Die Batteriepakete für den Motor sind über Druckknopf Verbinder angeschlossen und stehen "einfach so" im Gehäuse der Uhr.
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Eine Uhr von T&N vermutlich aus den 60er Jahren. Die Uhr benötigt zum Betrieb 24V. |
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Eine sehr alte Uhr von Siemens Das Drehanker Uhrwerk wurde nur für kurze Zeit ab 1927 gebaut. Die Uhr benötigt zum Betrieb ebenfalls 24V. |
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Eine eher moderne Uhr von T&N Leider etwas ramponiert. Die Uhr benötigt zum Betrieb 12V. Hier teste ich die Laufzeit von aufladbaren 9V Blöcken und einer 18650 Lithium Zelle. |
Weil ich das Ganze dreifach benötigt habe, habe ich eine 50 x 43 mm große Platinen entworfen und anfertigen lassen.
Die Platine ist gemischt mit bedrahteten und SMD Komponenten bestückt.
Nachfolgend können die Gerber Dateien für die Platine heruntergeladen werden.
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Was hat mich so ein Modul gekostet?
Die Bauteile haben zusammen etwa 20€ gekostet.
Originale DS3231SN von namenhaften Halbleiterhändlern sind sehr teuer!
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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!
Ich habe noch einige Platinen übrig. Wer eine Platine haben möchte, kann mich gerne kontaktieren!
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Hinweis!
Offenbar gibt es auch Fälschungen des ATtiny2313a Mikrocontrollers. |
© klaus(at)taeubl.de 04/2026
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