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CHOUR - Régleur de montres mécaniques / chronocomparateur RM1

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Appareil : Chronocomparateur (régleur de montres mécaniques)
Date : décembre 2018-janvier 2019
Type : PC-RM1
Marque : Chour
Dernière version logicielle : V1.3
Principaux constituants : Arduino pro micro, capteurs, afficheur

English version : img

Chargement Logiciel

Présentation

L’appareil présenté sur cette page est un régleur de montres mécaniques d’atelier de faible coût. On l’appelle également Chronocomparateur. Il permet de vérifier la dérive d’une montre (plus ou moins un certain nombre de secondes par jour) et de la régler afin de minimiser cette dérive.

Je ne détaillerai pas le fonctionnement d’une montre mécanique. On trouve de nombreuses explications très bien faites sur le net. Disons simplement que le réglage peut se faire à l’aide d’un ou deux dispositifs (ça dépend des montres) appelés « raquettes » qui agissent sur le ressort spiral du balancier spiral et permettent :

Comment fonctionne un régleur de montre ?

Pour faciliter les explications, on considèrera qu’une montre fait « tic-tac » (le petit bruit que vous entendez qui est produit par l’échappement de la montre). Cette notion de « tic » et de « tac » est arbitraire, un « tic » pouvant être un « tac » et inversement. Mais une fois que vous avez décidé qu’un bruit est un « tic », le suivant est un « tac ».

Un régleur de montre détecte les « tic » et les « tac » de la montre, mesure la période entre deux « tic » (ou « tac ») et compare cette période à celle attendue en fonction de la conception de la montre.

Un dispositif d’affichage permet d'afficher la différence entre la valeur mesurée et la valeur attendue. Si la valeur mesurée est plus faible que la valeur attendue, la montre va avancer, si elle est plus longue, elle va retarder. Le but du jeu est de faire en sorte que cette différence tende vers zéro en agissant sur la raquette qui commande l’avance (marqué A ou F) et le retard (marqué R ou S).

Il permet également de mesurer la régularité du mouvement, en d’autres termes, la différence de durée entre un « tic » et un « tac ». Là aussi, le but du jeu est de faire en sorte que cette différence tende vers 0 en agissant sur la raquette du porte piton (lorsqu’elle est présente, sinon, c’est plus compliqué) qui permet le réglage de l’alignement du balancier avec l’ancre et la roue d’échappement.

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Raquettes. L'image provient de http://www.montrespourtous.org/

Vous trouverez d'autres informations à ce sujet sur cette page.

Notion de battements, période et fréquence

Les valeurs de durée ou de fréquence attendues dépendent du calibre de la montre. Le tableau ci-après donne quelques valeurs courantes :

Bh Fs P D
180002,5Hz 400ms200ms
216003,0Hz 333ms166ms
288004,0Hz 250ms125ms
360005,0Hz 200ms100ms

Quelques caractéristiques du régleur de montre

Ce régleur de montre vise :

Si vous êtes quelqu’un d’ordonné et que vous avez de la place, alors, vous pouvez utiliser un micro-ordinateur portable et dans ce cas, je vous conseille le Watch-o-scope. À noter cependant que l’appareil que je propose ici peut aussi être connecté à un micro-ordinateur. Vous avez donc deux appareils pour le prix d’un.

Les principales fonctionnalités sont les suivantes :

Fonctionnement général d’un régleur de montre

Un régleur de montre comporte :

Le capteur

Le capteur généralement utilisé est de type piezo électrique (piezo par la suite) qui utilise les propriétés de certains corps de générer une tension électrique lorsqu’ils subissent une contrainte mécanique comme, par exemple, un choc.

On trouve de tels capteurs pour environ 1,5€ les 10. Pour ma part, j’ai pris un modèle de diamètre 20mm.

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Capteur piezo

Vous pouvez aussi récupérer un tel capteur sur une vieille montre à quartz avec alarme puisque l’organe qui produit le son de l’alarme est également un capteur piezo.

Pourquoi utilise-t-on préférentiellement ce type de capteur ? Il est peu coûteux, très sensible aux chocs et très peu sensible aux bruits ambiants.

On peut également utiliser un microphone électret. Pour ma part, j’ai testé ce modèle qui fonctionne de manière satisfaisante. Il dispose de son propre préamplificateur, l’ensemble étant vendu aux alentours de 1,5€.

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Capteur microphonique

Si vous utilisez cette solution, vous n’aurez pas à construire d’amplificateur puisqu’il est intégré. Par contre, il est moins performant que le capteur piezo et surtout, il est très sensible aux bruits ambiants (c’est normal, il est fait pour ça). Une porte qui se ferme, une voiture qui passe, etc. et toutes les mesures sont perturbées.

L’amplificateur

Si vous utilisez le capteur piezo, vous devrez construire un amplificateur pour amener la valeur du signal à un niveau utilisable par le microcontrôleur.

Ici, pas d’hésitation, utilisez le montage du Watch-o-Scope. Il est très performant et peu coûteux.

Toutefois, il a l’inconvénient de nécessiter une tension de 9V alors que le régleur de montre est alimenté via la prise USB de son microcontrôleur et ne dispose donc que de 5V.

J'ai remplacé le TL074 utilisé par un LM324. Il est PIN à PIN compatible. Le montage fonctionne aussi bien qu'avec le TL074 (j'ai fait les deux) mais peut être alimenté en 5V.

J’ai également ajouté un circuit de mise en forme du signal pour qu’il soit plus facilement exploitable par le microcontrôleur. Pour ce faire, j’ai utilisé l’inoxydable monostable 555 (conçu en 1970 ! Sans doute le circuit analogique le plus célèbre et le plus connu du monde de l’électronique) que l’on trouve partout pour une poignée de queues de cerises.

Ce monostable permet de générer un signal rectangulaire à partir du signal analogique généré par le capteur.

Pour déclencher le 555, il est nécessaire d’inverser le signal d’entrée. Un transistor (ici, un BC109 car j’en avais plein mais vous pouvez aussi utiliser un BC548 ou n’importe quel transistor bipolaire général NPN pour petits signaux) est utilisé à cet effet.

Microcontrôleur

Le microcontrôleur est un Arduino Pro Micro ATmega32U4 5V 16MHz que l’on trouve pour environ 3,5€. Son programme est en téléchargement sur cette page.

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Microcontrôleur pro-micro

L’afficheur

L’afficheur LCD est de type IIC-I2C-TWI-SP-I-Serial-Interface1602, 2 lignes de 16 caractères qui coûte environ 2,5€.

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Afficheur 2 lignes de 16 caractères

Les autres composants

On trouve des résistances, condensateurs, potentiomètres, LED, prise jack, contacteur, etc. et une plaquette d’essai pour souder les composants. Si vous êtes électronicien, vous avez probablement tout ça en stock. Sinon, il vous faudra les commander. Vous ne devriez pas vous en tirer pour plus de 10 à 15€.

Un mot quand même sur le contacteur : il s’agit d’un modèle rotatif avec poussoir momentané que l’on trouve pour environ 2€ les 5.

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Contacteur

Ensuite, il vous faudra mettre tout ça dans un boitier et bricoler un étau à montres pour y mettre le capteur. Là encore, le site Watch-o-scope peut vous donner des idées. Pour ma part, j’ai pris un étau tout fait (environ 2€).

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Capteur avec son étau

Pour le boitier j'en ai pris un en plastique (erreur !) que j’avais en stock pour un montage que je n’avais jamais fait. Concernant l'erreur, vous aurez l'explications un peu plus loin.

Le schéma final du montage est donc le suivant :

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Schéma

Le schéma de l'amplificateur se trouve sur le site http://www.watchoscope.com/. N'oubliez pas de remplacer le TL074 par un LM324 et alimentez le tout en 5V.


Cliquez sur l'image pour aller sur le site de Watch-O-Scope

Commentaires sur le schéma

P1 correspond à R7 du schéma de Watch-O-Scope.

MAX9814 et SW2 sont optionnels. Je souhaitais disposer sur l'appareil d'un capteur microphonique intégré avec son propre amplificateur (le MAX9814). Les résultats sont corrects pour peu que la montre soit assez bruyante.

Dans ce contexte, SW2 sert à choisir, soit la sortie de l'amplificateur piezo, soit la sortie de l'amplificateur microphone du MAX9814.

Si vous ne retenez pas l'option d'un microphone intégré, supprimez le MAX9814 ainsi que SW2 et reliez la sortie de l'amplificateur piezo directement au potentiomètre.

Le potentiomètre multi tours R8 sert à régler la durée de l’impulsion générée par le 555 en fonction du condensateur associé.

La durée de l’impulsion T = R8 x C3 x 1,1 où R8 est exprimé en ohms et C3 en Farads

Ainsi, pour une durée de 50 millisecondes avec C3=1µF, R8 vaut environ 45kohms.

Durant cette durée « d’occultation », aucun signal n’est pris en compte par le montage.

50ms est la durée que j’ai retenue. Elle permet d’éviter de comptabiliser d’éventuels chocs parasites comme étant des « tic » ou des « tac ». Elle est compatible avec les périodes jusqu’à 36000 battements par heures. Par contre, si vous avez une montre dont le nombre de battement par heures est supérieur ou égal à 72000, alors, vous ne mesurerez plus rien.

Le choix de cette durée d’impulsion vous appartient. Si vous souhaitez une durée fixe de 50ms, vous pouvez remplacer le potentiomètre multi tours par une résistance R7 d’environ 47kohms.

Vous pouvez aussi décider que cette durée est trop importante. Vous diminuerez alors la résistance, avec le risque que certains chocs parasites qui suivent l’impulsion que l’on souhaite mesurer viennent perturber la mesure.

Vous pouvez également décider que cette durée « d’occultation » de la mesure devrait dépendre du nombre de battements par heure de la montre. Dans ce cas, vous pourrez modifier le programme de l’appareil pour que cette adaptation soit automatique et vous réglerez la durée du signal sur le 555 aux alentours de 5mS.

Pour ma part, j’ai mis un potentiomètre pour le cas où je tomberai un jour sur une montre spéciale nécessitant une modification de cette durée. Mais je n’ai pas jugé utile de mettre ce potentiomètre en façade. C’est néanmoins une option que vous pouvez envisager. Cela fera un réglage de plus…

La trace ci-après vient d'une capture du signal amplifié (en bleu) et du signal résultant après passage par la bascule D.

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Trace oscilloscope

D3 et D4 ne sont pas présentes sur le schéma du Watch-O-Scope. Je ne les ai pas mises non plus. Toutefois, un capteur piezo peut générer une tension assez élevée qui pourrait détruire l'amplificateur opérationnel. D3 et D4 permettent de limiter la tension d'entrée à +/-0,6V environ.

Le câblage de la prise Jack en entrée est des plus classique. Le corps au (-) du capteur et relié à la masse du montage, le (+) sur la première bague et l'embout (pour un Jack stéréo) ou uniquement l'embout (pour un Jack mono).

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Câblage pour Jack stéréo

Une difficulté

Lorsque j'ai développé ce régleur, je n'ai eu aucun souci de mise au point. Je l'ai essentiellement utilisé connecté en USB à un PC pour développer le programme. Par contre, j'ai eu beaucoup d'ennuis lorsque je l'ai mis en boite, dans mon atelier. Qu'il soit connecté à une alimentation de laboratoire ou à un adapteur USB secteur, les diodes LED s'affolaient et aucune mesure n'était possible sauf... Lorsque je le connectais à mon oscilloscope. Là, tout fonctionnait à merveille. Je passe sur les détails et je vous donne directement la cause du problème : comme me l'a fait remarquer un ami, l'amplificateur a un gain énorme (environ de 70db) et comme l'entrée n'est pas différentielle, il est très sensible aux bruits ambiants et en particulier, aux rayonnements du 50Hz.

La solution est de relier la masse à la terre, ce qui doit être le cas sur un PC mais pas sur un adaptateur 5V. L'autre solution, comme le préconise d'ailleurs l'auteur du Watch-O-Scope, est probablement de mettre le montage dans un boitier en métal relié à la masse... Ce que je n'ai pas fait. Et de s'assurer que la connexion avec le capteur piezo se fait via des câbles blindés et ne soit pas trop longue.

Interface utilisateur

J’ai souhaité réaliser un appareil très simple d’utilisation, ne comportant que très peu de commandes. Cela implique que tout un tas de réglages disponibles sur d’autres appareils ne sont pas présents. Est-ce un problème ? En pratique, non et pour les raisons suivantes :

L’appareil comporte donc un afficheur LCD, deux LED (rouge/vert), un potentiomètre de volume et un contacteur rotatif.

Optionnellement, vous pouvez ajouter un commutateur pour sélectionner le capteur (microphone intégré ou piezo). C’est ce que j’ai fait mais plus pour expérimenter qu’autre chose. Vous pouvez en pratique vous passer du capteur microphonique intégré.

Le mode d’emploi est donc le suivant :

A la mise sous tension, l’afficheur vous propose un nombre de battements par heure par défaut. Si celui-ci ne vous convient pas, tournez le contacteur dans un sens ou dans un autre jusqu’à ce que le nombre de battements par heure vous convienne.

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Menu de sélection des battements

Les valeurs disponibles sont programmées. Il n’y a pas de recherche automatique du nombre de battements. Ce n’est pas que cette fonction soit difficile à réaliser mais en pratique, elle n’est pas très fiable, surtout si votre montre est très déréglée.

Une fois que le nombre de battements par heure est sélectionné, appuyez sur ce même contacteur pour déclencher la mesure.

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Ecran de mesure

Plus généralement, l’appui sur le contacteur déclenche la mesure si elle n’est pas en fonction ou la met en pause (un appui) ou l’arrête (deux appuis) si elle est en fonction.

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Appareil en pause

L’autre bouton sert de réglage du volume. En pratique, vous ne devriez pas avoir à y toucher après le premier réglage, sauf si vous changez de capteur.

Le volume est correctement réglé lorsque les deux LED battent alternativement de manière régulière.

Si les LED ne clignotent pas alternativement, cela signifie que le volume n’est pas assez élevé. Si une ou les deux LED sont toujours allumées, c’est que le volume est trop élevé.

Si les LED clignotent de manière erratique, il est probable que le volume est trop ou pas assez élevé, ou que votre montre a un très gros problème qui va au-delà d’un simple réglage.

Une fois la mesure déclenchée, l’afficheur affiche :

Lorsqu’il n’y a pas de valeur significatives à afficher (pas de mesures réalisées), les valeurs affichées sont représentés par des tirets "---".

Les unités d'affichage sont sélectionnées automatiquement par le programme. Elles sont exprimées en µS, ms, s, mn ou heure. "***" signifie un dépassement de capacité.

En général, on commence par faire un réglage de la différence des périodes jusqu’à ce qu’elle soit la plus proche possible de zéro. Ce réglage devra se faire pour plusieurs positions de la montre (horizontale, verticale…).

Lorsque le résultat semble satisfaisant, on re-déclenche une campagne de mesure et l’on s’intéresse à l’avance ou au retard par heure.

Précision et résolution de l’appareil

La précision et la résolution de l’appareil doit être définie pour les 3 mesures réalisées :

L’horloge de la carte Arduino utilisée a une résolution de 4µs. Sa précision dépend de celle du quartz et est probablement très inférieure à 1%. On la nommera P% par la suite. Dans ce contexte, on peut dire que :

Le cas de la mesure de l’avance-retard sur une longue période dépend de la stratégie de mesure sur cette période. Deux grands cas peuvent être envisagés :

La première stratégie de mesure comporte néanmoins un inconvénient majeur : la mesure ne doit pas être perturbée sur toute la période (par exemple, 24 heures). Or, les capteurs sont sensibles aux chocs et/ou aux sons. Il faudra donc mettre l’ensemble du capteur et de la montre dans un environnement adapté et ne pas intervenir sur la montre durant toute la mesure pour que celle-ci ait un sens.

Cette approche sera à privilégier si l’on souhaite certifier la précision d’une montre mais n’est pas adaptée à la réparation ou au réglage d’atelier.

La seconde stratégie est donc celle utilisée dans la présente réalisation. Elle permet de plus d’éliminer les mesures aberrantes (dues aux chocs accidentels par exemple) et mettre l’appareil en pause lors des réglages.

De plus, on n’est pas forcément toujours malchanceux : on peut penser que les erreurs dues à la résolution se compensent parfois ce qui fait qu’en pratique, la précision sera meilleure que celle calculée qui correspond au pire des cas.

Si l’on veut améliorer la précision dans le cadre de la seconde stratégie, une solution consiste à améliorer la résolution de l’horloge. Le chronocomparateur PC-RM4 en cours de réalisation utilise une horloge à 40MHz autorisant une résolution de 20ns. Dans ce contexte, la précision en valeur absolue sur 24 heures est de l’ordre de 2ms à P% près.

Particularités de la mesure des battements

Même si le capteur piezo est moins sensible au bruits qu'un microphone, il peut quand même capter divers parasites (une porte qui se ferme, le fait de poser la main sur l'établi...). La mesure est alors perturbé ce qui se traduit par des trains d'impulsions.

Le programme élimine les valeurs qu'il considère comme aberrantes. Si deux impulsions se suivent à (en général) moins de 1/4 de la durée de la période attendue, elles ne sont pas prises en compte (vous pouvez régler cette constante dans le programme). Idem si la durée est supérieure à la demi période.

On peut donc perdre un certain nombre de « tic » ou de « tac » mais en pratique, cela n'a pas d'importance.

Améliorations potentielles

Je passe rapidement sur les améliorations à apporter au programme :

décembre 2018

L'image ci-dessous représente le prototype que j'ai utilisé pour le développement du logiciel. Par rapport à la version finale, on note la présence d'un élévateur de tension continu-continu pour produire du 9V à partir du 5V. Dans cette version, j'utilisait en effet le TL074 du montage originel du Watch-O-Scope.

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Prototype

Voici deux exemples d'utilisation du microphone intégré. L'un pour une montre chinoise qui bat à 21600 coups par heure, l'autre une Timex qui bat à 18000 coups par heure. A noter que dans cette version, le programme affichait l'avance retard par heure et non par jour.

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Utilisation du microphone intégré

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Utilisation du microphone intégré