Часы с цифровой индикацией и имитацией небосвода с Солнцем на шаговом двигателе
CLOCK WITH DIGITAL INDICATION AND IMITATION OF FIRMAMENT WITH SUN ON STEP MOTOR

Изобретение относится к приборам времени с цифровой индикацией текущего времени, календаря и другой дополнительной хронометрической информации.
Известны механические наручные часы марки Martin Braun, модель EOS 42 B, производимые в Швейцарии. Эти часы имеют часовую и минутную стрелки, показывающие текущее время на 12 часовом циферблате, в окошечке циферблата индицируются дата дня. Особенностью этих часов является то, что они индицируют с помощью двух стрелок восход и закат солнца. С левой стороны циферблата стрелкой индицируется восход солнца цифрами от 5 до 8 (часов), а с правой стороны другой стрелкой показывается закат солнца цифрами от 17 до 20 (часов). Показания восхода и заката солнца истинны только при определённых координатах на местности (зависит от широты и долготы пункта местности). Куда бы ни поставлялись часы - для каждого места будут предназначены свои диски с запрограммированными координатами.
К недостаткам таких часов следует отнести отсутствие на циферблате  информации о положении солнца на небосводе от восхода до его заката.
Известны глобус-часы, (Патент Российской Федерации № 2278407, МПК G04B19/22, G09B27/08, опубл. 20.06.2005), с индикацией международного и поясного времени, положения дня, ночи, сумерек и Солнца, содержащие глобус и часовой механизм, прозрачную сферическую оболочку с полуосью и шестернёй.
К недостаткам конструкции глобус-часов следует отнести их низкую разрешающую способность по отношению к конкретной точке на глобусе, например, город Пензу с большой погрешностью можно отметить на глобусе, а отсюда и большая погрешность определения времени восхода, заката Солнца и другой хронометрической информации, кроме того, информация  положения Солнца над горизонтом в этом изобретении отсутствует.
Известен также хронометр для определения времени восхода и заката Солнца (Патент Российской Федерации № 2225632, МПК G04B19/26, G04B19/22, опубл. 10.03.2004), кроме того положение Солнца в конкретном месте в текущее время определенного месяца при помощи часовой стрелки, которая оборачивается один раз за 24 ч, и неподвижной или вращающейся пластины для указания времени восхода и захода Солнца по хронометру.
Недостатком известного устройства является невозможность определить высоту Солнца над горизонтом в течение светового дня. Кроме того, восход и закат Солнца определяется по этим часам с большой погрешностью, и нет реальной картины положения Солнца на небосводе.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является патент на изобретение  от 21.01.2019 г. № RU 2708675 C1 «Часы с цифровой индикацией и имитацией небосвода с солнцем на диодах», в котором Солнце перемещается по одной полукруглой орбите независимо от времени года.
Задачей создания изобретения является перемещение Солнца по небосводу в течение светового дня по нескольким полукруглым орбитам, высота которых над горизонтом зависит от времени года.
Решение поставленной задачи достигается тем, что часы с цифровой индикацией, состоящие из хранителя времени, устройства управления, цифровой индикации значений года, месяца, числа месяца, значений времени с двадцати четырёх часовой шкалой, значений времени восхода и заката Солнца и резервного источника питания, подключенного к хранителю времени, соединённого с устройством управления, который соединён с цифровыми индикаторами календарных данных, данных о восходе и закате Солнца, значений текущего времени и постоянным запоминающим устройством (ПЗУ), в котором записаны значения времени восхода и заката Солнца на все 366 дней года относительно конкретной местности, определяемой её географическими координатами (широтой и долготой), при этом, в верхней части лицевой панели часов изображён небосвод, нижний край которого является линией горизонта,  в средней части панели размещена узкая полоска пейзажа, а в нижней части панели располагаются цифровые индикаторы, согласно предлагаемому изобретению в часы введён шаговый двигатель (ШД) с редуктором, ось вращения которого расположена ниже линии горизонта, на ось насажена одним концом планка в виде стрелки со светодиодами, расположенными вдоль её длины, при вращении планки светящийся светодиод имитирует перемещение Солнца по полукруглой орбите от восхода до заката, узкий длинный фотодатчик размещён на левой половине линии горизонта и служит для определения начала движения планки с включённым светодиодом, обозначая  момент времени восхода Солнца, а два концевых выключателя размещены ниже линии горизонта по обеим его сторонам и служат для выключения ШД, когда планка со светодиодами пересекает линию горизонта.
При этом в электронную часть часов введены коммутатор,  и схема управления ШД, соединенная с выходами устройства управления и выходами концевых выключателей,  устройство управления соединено с выходом фотодатчика и входами коммутатора, выходы которого соединены со светодиодами, размещёнными на планке.
Кроме того, в электронную часть часов введено    арифметическое устройство, соединённое с устройством управления, при этом  в ПЗУ записаны коды орбит Солнца и записан период «П» шага запуска ШД при прохождении Солнцем по орбите на каждый день года (366 дней). Причём период «П» вычисляется как долгота дня «Д» поделённая на число шагов «N» шагового двигателя  при прохождении всей орбиты, причём «N» вычисляется как полный угол поворота «α» планки от восхода до заката Солнца по этой же орбите, поделённый на единичный угол «Δ» поворота оси редуктора.
Арифметическое устройство начинает функционировать в момент подключения часов к электрическому питанию (например, после обесточки) и вычисляет интервал времени от восхода Солнца до значения текущего времени, затем делит этот интервал на период «П» шага запуска ШД на этой орбите, полученное частное от деления означает число шагов, которые должен сделать ШД ускоренно до точки на орбите, соответствующей положению Солнца на данный момент времени, дальнейшее вращение планки происходит в штатном режиме с периодом «П».
Введённые элементы, в частности, шаговый двигатель (ШД) с редуктором, планка  в виде стрелки со светодиодами, узкий длинный фотодатчик, два концевых выключателя позволяют в полной мере имитировать перемещение Солнца в течение светлого времени суток. Причём, высота орбиты Солнца меняется в зависимости от времени года – в июне месяце орбита максимальна, а в декабре минимальна. В ПЗУ дополнительно записаны коды орбит Солнца и записаны  периоды «П» шага запуска ШД при прохождении Солнцем орбиты на каждый день года (366 дней). Применение в электронной части часов арифметического устройства позволяет после возобновления электропитания восстанавливать положение Солнца на орбите в соответствии с показаниями текущего времени на цифровых индикаторах. В постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) записываются данные о значении времени восхода и заката Солнца на весь год относительно конкретной местности, где эксплуатируются часы, определяемой географическими координатами (для г. Пензы: 53°7′ сев. широты, 45°1′ вост. долготы). Период «П» шага запуска ШД тоже записывается в ПЗУ на каждый день года,  определяется расположением редуктора под линией горизонта, то есть углом поворота планки со светодиодами от восхода до заката. Кроме того, коммутатор переключает светодиоды на планке, коды которых записаны в ПЗУ и переключаются в соответствии с календарными данными цифровых индикаторов, что достоверно отображают орбиты Солнца в соответствии с временами года. Всё перечисленное создают новые потребительские свойства предлагаемым часам.
На фиг. 1. – изображена структурная схема электронной части часов.
На фиг. 2. – изображена схема расположения механической части часов.
На фиг. 3. – изображён график, поясняющий работу часов.
На фиг. 4. – изображены часы с расположением солнца в июне месяце в полдень.
На фиг. 5. – изображены часы с расположением солнца в декабре месяце в полдень.
Часы с цифровой индикацией и имитацией небосвода с солнцем на шаговом двигателе состоят из хранителя 1 времени (фиг. 1), устройства 2 управления, цифровой индикации значений года 3, месяца 4, числа 5 месяца, времени 6 с двадцати четырёх часовой шкалой (часы, минуты), времени 7 восхода Солнца, времени 8 его заката и резервного источника 9 питания. Источник 9 питания подключен к хранителю 1 времени, который двунаправленной шиной связан с устройством 2 управления, соединённый с цифровыми индикаторами значений года 3, месяца 4, числа 5 месяца, времени 6, времени восхода 7 и времени 8 заката Солнца.  В постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 10 записаны табличные данные о восходе и закате Солнца, выходы которого подключены к устройству 2 управления. В верхней части лицевой панели часов изображён небосвод, нижний край которого является линией 11 горизонта (фиг. 2.), в средней части панели размещена узкая полоска пейзажа, а в нижней части панели располагаются цифровые индикаторы.
В часы введён шаговый двигатель (ШД) 12 с редуктором 13, планка 14 в виде стрелки со светодиодами, узкий длинный фотодатчик 15, концевые выключатели 16 и 17, при этом ниже линии 18 горизонта (фиг. 2),  в её середине, располагается ось вращений редуктора 13, на которой одним концом закреплена планка 14 со светодиодами, размещёнными в один ряд, и при вращении планки 14 один светящийся светодиод имитирует движение Солнца по круговой орбите. Фотодатчик 15 размещён на левой половине линии 11 горизонта и соединён с устройством 2 управления, а выключатели 16 и 17 размещены ниже этой линии соответственно с левой и  правой её сторон, и выходы которых соединены с схемой 20 управления ШД, соединённой информационной шиной с одними выходами устройства 2 управления. Кроме того, введённые коммутатор 19 входными информационными шинами соединён с устройством 2 управления, а его выходы соединены с планкой 14 со светодиодами, арифметическое устройство 21 двунаправленной шиной соединён с устройством 2 управления.
Часы с цифровой индикацией и имитацией небосвода с солнцем на шаговом двигателе могут работать в двух режимах: в штатном режиме, когда часы подключены к питающей электросети непрерывно круглосуточно и режим, когда произошёл перерыв питания электросети на некоторое время.
Прежде чем начать рассматривать работу часов в динамике необходимо отметить их конструктивную особенность. Рассмотрим пример конструкции часов со следующими данными: на планке 14 расположены цепочкой десять светодиодов под номерами №1 … №10, причём светодиод № 1 находится на самом конце (наверху) планки 14, а светодиод №10 – внизу цепочки (фиг. 2). Шаговый двигатель 12 с редуктором 13 имеют единичный угол поворота Δ = 0,06°, светодиод №1 вращается по орбите 22, а светодиод №10 – по орбите 23. При конструктивном расположении шагового двигателя 12 с редуктором 13 относительно линии 11 горизонта, как это изображено на фиг. 2 и 3, измеряется угол α1 = 146,95° полного угла поворота планки 14 от «восхода» до «заката» в самый продолжительный световой день года. Аналогичным образом измеряются углы полного поворота планки 14 при каждом свечении одного из светодиодов №2 … №10, в нашем случае угол поворота планки 14 с светодиодом №10 будет равен α10 = 113,1°, в самый короткий световой день года. Так как в приводимом примере построения часов свечение Солнца имитируется десятью светодиодами, которые перемещаются по десяти орбитам, то самая высокая орбита имитируется светодиодом №1, а самая низкая – светодиодом №10. Таким образом, орбиты будут меняться через каждые 20 дней, то есть светодиод №1 будет имитировать Солнце с 20 июня по 9 июля, светодиод №2 – с 10 июля по 29 июля, а в конце года светодиод №10 имитирует самую низкую и короткую орбиту с 20 декабря  по 9 января следующего года. В дальнейшем долгота дня возрастает и  с 10 по 29 января имитирует Солнце светодиод №9,  при этом коды орбит записаны в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 10 (фиг. 1), независимо от географического расположения часов. В течение светлого времени суток Солнце проходит по орбите от «восхода» до своего «заката» мелкими шагами «Δ» единичного углового поворота оси редуктора 13, а число шагов определяется конструктивными данными часов. В рассматриваемом примере конструкции часов (фиг. 2, 3) число шагов N1 Солнца при прохождении по орбите 22 светящимся светодиодом №1 будет вычисляться как частное от деления угла поворота α1 = 146,95° поделённое на единичный угол поворота   Δ = 0,06° и будет равно:
N1 =  α1 : Δ = 146,95° : 0,06° = 2449 шагов.
Число шагов N10 по орбите 23 будет равно:
N10 = α10 : Δ = 113,1° : 0,06° = 1885 шагов.
Аналогичным образом вычисляется число «N» и по остальным орбитам.
При нахождении часов в конкретной точке местности необходимо занести в ПЗУ данные о «восходе» и «закате» Солнца на каждый день года, затем определить на каждый день долготу дня «Д» в секундах, которая вычисляется как разница во времени между «закатом» «З» Солнца и его «восходом» «В»:
Д = З – В.
Светящийся светодиод, имитирующий Солнце, проходит орбиту за «N» число шагов, и в тоже время долгота дня определяется как период шага «П» шагового двигателя, перемещающий светодиод по орбите за «N» шагов.  При таких условиях необходимо подсчитывать период «П» шага движения Солнца по орбите на каждый день года, для этого долготу дня «Д» необходимо делить на число шагов «N», период «П» шага (в секундах) будет равен:
П = Д : N.
Рассчитанные на каждый день года значения периода шага «П» записываются в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).
В данном примере рассматривается расположение часов в г. Пензе, географические координаты которой следующие: 53°7′ северной широты, 45°1′ восточной долготы. Таким образом, в ПЗУ записываются следующие данные:
- значения «восхода» «В» и «заката» «З» Солнца на каждый день для конкретной местности;
- коды орбит, по которым перемещается Солнце;
- значения периода «П» шага на каждый день года для конкретной местности.
Произведённые вычисления делаются на все 366 дней года (с учётом високосного года) и заносятся в ПЗУ 10. Год при вычислениях не учитывается, так как разница в данных «восхода» и «заката» Солнца составляет несколько минут за десятилетие.
Рассмотрим работу часов в штатном режиме. На цифровых индикаторах установлена информация о значениях года, месяца, числа месяца, значений времени с двадцати четырёх часовой шкалой, значений времени о «восходе» и «закате» Солнца, момент текущего времени выберем утром до восхода Солнца в июне месяце после 20 числа. При этом планка 14 находится в левой стороне горизонта 11 у концевого выключателя 16 (планка 14 не двигается) и все светодиоды на ней не светятся. По истечении некоторого времени наступает время «восхода» Солнца, при этом светодиод №1 начинает светиться, а планка 14 ускоренно поворачивается по часовой стрелке и свет от светодиода №1 попадает на фотодатчик 15, который выдаёт сигнал на устройство 2 управления. Устройство 2 управления из ПЗУ 10 считывает информацию о периоде «П» шага поворота планки 14, соответствующую календарным данным на цифровых индикаторах, и передаёт на схему 20 управления ШД. Планка 14 со светящимся светодиодом №1 по полукруглой орбите 22 плавно перемещается с периодом «П» в течение светового дня до линии 11 горизонта, соответствующей времени «заката» Солнца, при этом светодиод №1 гаснет и планка 14 останавливается. В полночь включается шаговый двигатель 12, который ускоренно поворачивает планку 14 против часовой стрелки до концевого выключателя 16, при этом ШД 12 обесточивается и останавливается, тем самым вставая в исходное положение до следующего «восхода» Солнца.
Рассмотрим работу часов 26 июня, когда произошло временное отключение электропитания, которое через некоторое время восстанавливается. Предположим, что
отключение электропитания произошло в момент нахождения Солнца на орбите №1 между точкой «восхода» и «зенитом», а его возобновление произошло в 12 часов 02 минуты (текущее время «Т»). В этот момент на цифровых индикаторах 3 … 8 (фиг. 1) высвечивается вся цифровая информация о значениях текущего времени, календарных данных, времени «восхода» и «заката» Солнца (фиг. 1). При этом планка 14 начинает ускоренно вращаться против часовой стрелки до концевого выключателя 16, останавливается и начинает вращаться по часовой стрелке со светящимся светодиодом №1 до  фотодатчика 15 (фиг. 2.). При пересечении светового луча светодиода №1 фотодатчика 15 вырабатывается сигнал, поступающий на устройство 2 управления, по которому из ПЗУ 10 считывается информация о «восходе» Солнца (В = 3ч. 34м.), а  информация о значении текущего времени (Т = 12ч. 02м.) считывается с хранителя 1 времени  и посылается эта информация в арифметическое устройство 21. Устройство 21 вычисляет разницу «Р» между текущим временем «Т» и «восходом» Солнца:
Р = Т – В = 12ч. 02м. – 3ч. 34м. = 8ч. 28м. = 30480 секунд.
После этого устройство 21 из ПЗУ 21 считывает информацию о периоде «П» шага запуска ШД на 26 июня, который равен:  П = 24,9 секунды, и вычисляет число шагов «Ч», необходимых для подгона планки 14 шаговым двигателем 12 до значения текущего времени «Т»:
Ч = Р : П = 30480с. : 24,9с. = 1224 шагов (фиг. 3).
Затем шаговый двигатель 12 ускоренно поворачивает планку 14 по часовой стрелке на 1224 шагов и останавливается в момент времени, равный 12ч. 02м. Дальнейший поворот планки в сторону «заката» происходит с единичным интервалом времени  24,9 секунды.
В качестве пояснения рассмотрим расчёт периода «П» шага запуска ШД на 26 июня перед его записью в ПЗУ:
П = Д : N1 = (З – В) : N1 = (20ч. 30м. -3ч. 34м.) : 2449 шаг. = 60960с.  : 2449с. = 24,9 с.
На фиг.3 показан пример расчёта параметров подгона планки 14 со светодиодом №1 имитирующим  Солнце после обесточки электропитания часов.
Из рассмотренного видно, что введение совокупности отличительных признаков в предполагаемое изобретение, позволяет, по сравнению с прототипами, отображать положение Солнца на разных полукруглых орбитах в зависимости от времени года, благодаря размещению цепочки светодиодов на стреловидной планке, которая вращается шаговым двигателем с редуктором. Кроме того, визуальное отображение перемещения Солнца в течение дня по орбите и изменение орбиты по высоте в зависимости от времени года, позволяют повысить потребительские свойства часов. Для привязки часов к другой местности достаточно заменить постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) с табличными данными.
Примечание. В качестве фотодатчика 15, при изготовлении макетных образцов часов, были использованы единичные элементы от солнечных батарей, соединённых последовательно.
https://lyna.info/vosxod-i-zakat-solnca/  - калькулятор расчёта восхода и заката Солнца. Пример фиг. 1 для г. Москвы будет выглядеть со следующими данными.
Для г. Москвы (55,75° сев. широты, 37,38° вост. долготы).
26июня 2019 г., Восход: 3 ч. 47 м. ; Закат: 21 ч. 19 м. ; Долгота дня 17 ч. 31 м.
Период «П» шага запуска ШД будет равен:
П = Д : N1 = (З – В) : N1 = (21 ч. 19 м. – 3 ч. 47 м.) : 2449 шаг. = 17 ч. 32 м. : 2449 шаг. =   = 63120 с. : 2449 шаг. = 25,8 с.
Таким образом, предлагаемые цифровые часы с цифровой индикацией и имитацией небосвода с Солнцем решает те же функции прототипа, т. е.  наглядно изображают движение Солнца по полукруглой орбите светящимся  светодиодом, который размещён на стреловидной планке, один конец которой закреплён на оси редуктора шагового двигателя. При этом на планке располагается ряд светодиодов, с помощью которых изменяется высота орбит в зависимости от времени года.