VizTimer: Электронные песочные часы: 28 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Когда нашему сыну было три или четыре года, мы начали ожидать, что он будет делать все вовремя. Я бы сказал что-то вроде «Нам нужно ехать через десять минут!» Или «Поиграйте с этим грузовиком еще пять минут, а затем дайте кому-нибудь поворот». Проблема заключалась в том, что (а) он не мог читать часы, ни цифровые, ни аналоговые, и (б) он не понимал, сколько длится минута. Я понял, что ему нужен четкий способ увидеть, как выглядят пять или десять минут, и уметь отслеживать оставшееся время. Итак, я решил спроектировать и построить визуальный таймер. Я видел много вариантов, в том числе классический таймер для яиц, но мне показалось, что метафора вращения не была интуитивно понятной для очень маленьких детей - все дело в том, чтобы смотреть на углы и части круга. Когда я остановился на более линейном дизайне, идея электронных песочных часов казалась очевидной: они обеспечивают правильную визуальную метафору, и я мог бы использовать акселерометр, чтобы реализовать эргономику его поворота для запуска и остановки таймера.

Мой окончательный дизайн, который я вам здесь покажу, относительно прост. Визуальная часть состоит из полосы индивидуально адресуемых светодиодов RGB (например, WS2812). Программирование осуществляется с помощью одной кнопки (емкостная сенсорная кнопка, потому что она плоская). Микроконтроллер, совместимый с Arduino (Adafruit Metro), запускает программу и считывает информацию об ориентации с 3-осевого аналогового акселерометра. Питание обеспечивается аккумулятором, который вынимается из зарядного устройства телефона (стандартный литий-ионный аккумулятор 18650). Хорошая особенность блока питания заключается в том, что он включает в себя схему зарядки, порт micro-USB и выдает 5 В, чего ожидают микроконтроллер и светодиодная лента.

В зависимости от вашего уровня опыта вы, вероятно, сможете сделать этот таймер за пару выходных. Вам потребуются базовые навыки пайки, а также соответствующие инструменты и расходные материалы. Самая большая переменная - это корпус: у меня есть деревообрабатывающий электроинструмент, который облегчает эту работу, но я также расскажу об альтернативных способах сборки корпуса без большого количества инструментов.

Шаг 1. Материалы и инструменты

МАТЕРИАЛЫ

Для электроники:

• Портативный внешний аккумулятор для сотового телефона (с аккумулятором 18650 цилиндров) - диапазон цен огромен, но не платите больше 10 долларов
• 2-х пиновый кулисный переключатель - примерно так:
• Клеммы для переключателя - пригодится комплект:
• Микроконтроллер AVR - питание 5В с минимум тремя аналоговыми входами. Adafruit Metro Mini идеален.
• 3-осевой акселерометр - Adafruit продает коммутационную плату ADXL335.
• Емкостная сенсорная кнопка - Adafruit продает полную доску кнопок.
• Небольшой макет прототипа (один с шинами питания) - платы Adafruit Perma-proto хорошего качества
• Маленький разъем питания JST - вот так:
• Адресная светодиодная лента RGB (например, WS2812) - получите полосу 144 светодиодов на метр:
• 3-проводной кабель Dupont с гнездовым разъемом
• Монтажный провод (калибр 24 и 26)

Для корпуса

• Деревянная заготовка (толщиной не менее 1,25 дюйма) ИЛИ Фанера различной толщины
• Деревянная планка сверху и снизу (толщиной 0,25 дюйма)
• Небольшой лист оргстекла или акрила
• Лист диффузионного материала - тонкие пластиковые коврики для резки великолепны:
• Винты # 6, с плоской головкой и полукруглой головкой, 5/8 дюйма
• Цинссер шеллак, протираемый полиуретан
• Лента, клей, наждачная бумага

ИНСТРУМЕНТЫ

• Кусачки и стрипперы
• Паяльник
• Взломать пилу
• Пилы по дереву
• Сверла, сверла, в том числе зенковка
• Долота и напильники
• Резак из оргстекла или универсальный нож

ДЕРЕВООБРАБОТКА

• Настольная пила
• Ленточная пила
• Сабля пила
• Сверлильный станок

Шаг 2: подготовьте аккумулятор

Первый шаг - разобрать портативное зарядное устройство и отсоединить разъем USB A. Эти устройства довольно просты: они имеют литий-ионный аккумулятор 18650 и небольшую плату, содержащую схемы зарядки и разрядки. Обычно имеется два разъема: micro-USB для зарядки аккумулятора (вход) и USB A большего размера для подачи питания на кабели для зарядки телефона (выход). Мы собираемся использовать выход для питания таймера, поэтому разъем USB A не нужен. Используйте паяльник и плоскогубцы, чтобы удалить его.

ПРИМЕЧАНИЕ. Будьте осторожны, чтобы не повредить провода, оставшиеся на плате. Нам нужно будет использовать два внешних.

Шаг 3: Добавьте разъемы питания

Начните с припайки провода 24AWG к каждому из выводов питания, где был разъем USB A. Я использую красный и черный, чтобы запомнить, какой из них силовой (5 В), а какой - заземленный. На стороне питания добавьте клемму, которая подходит к выводам переключателя питания. Подготовьте второй красный провод с клеммой на одном конце.

Если вы подключите две клеммы к переключателю, у вас должно остаться два конца провода - красный и черный. Присоедините их к одной стороне соединителя JST. Мне нравятся разъемы JST для подключения питания, потому что форма разъема не позволяет вам подключить его неправильным образом и поджарить вашу схему.

Подготовьте красный и черный провод с другой стороны разъема JST.

Убедитесь, что провода достаточно длинные, чтобы протянуться вдоль таймера (см. Фотографии ниже). Его легко обрезать или просто набить лишней проволокой.

Шаг 4: соберите плату управления

Плата управления довольно проста, но есть несколько деталей, на которые следует обратить внимание. Начните с платы Perma-proto, которая имеет ту же схему разводки контактов, что и стандартная макетная плата (обратите внимание на шины питания). Обрежьте его по мере необходимости, чтобы сделать его как можно меньше, оставив шины питания и достаточно отверстий для штифтов, чтобы вы могли добавить необходимые соединительные провода.

Припаяйте микроконтроллер и акселерометр к плате, используя стандартные разъемы. Обратите внимание на ориентацию двух досок:

• Убедитесь, что разъем micro-USB обращен к краю платы, чтобы вы все еще могли получить к нему доступ для программирования.
• Обратите внимание на ориентацию акселерометра, потому что от этого выбора будет зависеть, что он считает «вверх» или «вниз».

Шаг 5: провод питания и акселерометр

Решите, какая из шин питания будет на 5 В, а какая - на землю. Добавьте небольшие отрезки провода от шин питания к источнику питания и заземлению на обеих коммутационных платах.

Добавьте три провода, чтобы подключить три выхода акселерометра к трем аналоговым входным контактам микроконтроллера. В моей настройке я подключил выход X к A2, выход Y к A1, а выход Z к A0.

Шаг 6: Подключите разъем питания

Припаяйте свободную сторону узла разъема JST к плате управления. Обратите внимание на полярность: убедитесь, что красный провод припаян к шине питания 5 В, а черный - к шине заземления.

Шаг 7: Подключите светодиодную ленту

На этом этапе вы определите общий размер таймера, потому что мы хотим, чтобы светодиодная лента работала на полную длину. Я выбрал светодиодную ленту с 30 светодиодами при плотности 144 светодиода / метр. Общая высота составляет около 8 1/2 дюймов. Я разложила все детали на деревянной заготовке, чтобы убедиться, что она подойдет.

Большинство этих полосок можно обрезать до любой длины - просто убедитесь, что вы разрезаете в указанной точке, где выступают прокладки. Припаяйте три провода к открытым контактным площадкам на входном конце полосы. На большинстве полосок есть какой-то индикатор, например крошечная стрелка, показывающий направление движения данных. Питание может быть подключено к любому концу, но данные должны идти в правильном направлении вниз по полосе.

Убедитесь, что провода достаточно длинные, чтобы они могли намотаться от передней части таймера обратно к плате управления. Припаяйте провода питания к шинам питания на плате управления и припаяйте провод данных к одному из цифровых контактов микроконтроллера.

Шаг 8: добавьте емкостную сенсорную кнопку

Как и выключатель питания, емкостной сенсорной кнопке требуется съемный разъем из-за способа ее крепления к таймеру. Моя стратегия здесь состоит в том, чтобы припаять прямые разъемы к кнопке, а затем припаять трехжильный кабель Dupont к плате управления. «Женский» соединитель Dupont идеально соответствует расстоянию между контактами заголовка.

Припаяйте провода питания и заземления к направляющим на плате управления, как вы это делали для светодиодной ленты. Подключите линию данных (которая будет считывать "высокий" при нажатии кнопки) к одному из контактов цифрового входа на микроконтроллере.

Полная схема показана на последней фотографии. На этом этапе вы можете включить его и, если хотите, загрузить код и протестировать его.

Шаг 9: выложите корпус

Мой корпус сделан в основном из кленовой плиты около 8 1/2 дюймов в длину, 2 1/2 дюйма в ширину и 1 1/4 дюйма в толщину. Используйте светодиодную ленту в качестве ориентира для отрезания длины, добавив дополнительные 1/8 дюйма для проводов и зазора.

Электроника должна удобно размещаться на деревянной плите, при этом аккумулятор и переключатель должны находиться в нижней половине, а плата управления - в верхней части. Последний таймер фактически будет иметь два отдельных отсека для этих компонентов.

Шаг 10: альтернативные корпуса

Я понимаю, что не у всех есть инструменты, необходимые для изготовления корпуса, описанного в следующих нескольких шагах. Есть несколько альтернатив, которые все еще получаются очень хорошими.

Одна стратегия, которая приведет к очень красивому, современному внешнему виду ограждения, - это вырезать куски фанеры необходимой формы и склеить их вместе, как бутерброд. Этот подход может быть реализован с помощью всего нескольких ручных инструментов. Вы можете приобрести небольшие кусочки качественной фанеры разной толщины в магазинах хобби и художественных принадлежностей.

Шаг 11: отрежьте переднюю часть

В моем первом прототипе этого таймера я просверлил и высверлил места для электроники, что оказалось огромной проблемой, и я никогда не мог заставить его выглядеть полностью чистым. Вместо этого я перепилил деревянную заготовку, то есть разрезал ее на две доски одинакового размера, но разной толщины. Тонкая часть становится твердой передней частью, а более толстая часть - частью, на которой крепится электроника.

Чтобы убедиться, что места будут достаточно большими, я использую толщину батареи, чтобы определить, где разрезать. Этот шаг можно выполнить с помощью ручной пилы, но использование ленточной пилы делает его более простым и точным.

СОВЕТ: отметьте конец доски треугольником или другой меткой сразу после того, как вы ее разрежете, чтобы вы могли легко вспомнить, как две доски снова соединяются.

Шаг 12: Разметьте и вырежьте место для электроники

Работая с толстой частью, я выкладываю примерную форму таймера. Стены корпуса будут толщиной около 3/8 дюйма. Используйте свою электронику в качестве ориентира для определения размеров пространства: батарея должна поместиться в нижнем пространстве, плата управления должна поместиться в верхнем пространстве.

Начните с высверливания углов пространств. Мы полностью удалим эти прямоугольники, что довольно быстро при использовании сабельной пилы. Очистите края с помощью напильника и / или наждачной бумаги.

Теперь вы можете собрать корпус всухую и убедиться, что электроника действительно подходит!

Шаг 13: вырежьте отверстия для разъемов

Намного проще вырезать отверстия для выключателя питания и микро-USB (для зарядки), прежде чем мы склеим сборку. Измерьте, используя фактический выключатель и зарядную плату, и отрежьте с помощью небольшой пилы. Очистите файлы, чтобы плотно прилегать.

Нам также нужно прорезать канал между двумя камерами корпуса, чтобы подключить питание. Вы можете использовать любую комбинацию зубил и пил - эта часть не должна быть красивой, потому что ее не будет видно. Но убедитесь, что он достаточно широкий, чтобы пропустить разъем JST.

Шаг 14: склейте корпус

Склейте две стороны корпуса. Внимательно посмотрите на маркировку и структуру древесины, чтобы убедиться, что вы правильно склеиваете их. Вы хотите, чтобы конечный результат выглядел так, как будто вы вообще никогда не разрезали доску!

Мне было сложно удерживать доски выровненными при их зажиме, поэтому я использовал большой параллельный зажим сверху и снизу, чтобы все не скользило.

Шаг 15: сделайте верх и низ

Верхняя и нижняя части могут быть любого размера и формы и из любого дерева, которое вам нравится. Единственное требование - она должна быть достаточно толстой, чтобы в ней можно было разместить плату подключения емкостной сенсорной кнопки.

Самая сложная часть этого шага для меня - выровнять детали, когда я просверливаю отверстия для винтов. Моя стратегия состоит в том, чтобы сначала просверлить отверстия в верхней и нижней частях, затем выровнять их и отметить отверстия на концах таймера. Убедитесь, что вы зенковали отверстия для винтов настолько, чтобы винты не выступали, иначе таймер будет колебаться, когда вы попытаетесь его поднять.

У меня все еще остались детали, которые были слегка перекосами. Вы можете решить эту проблему, приклеив зубочистку к старому отверстию, подождав, пока оно высохнет, отрезав его и просверлив новое отверстие.

Шаг 16: Вырежьте углубление для емкостной сенсорной кнопки

Емкостная сенсорная кнопка находится на конце таймера, ближайшем к плате управления. Это конец, который будет вверху, когда вы установите таймер, и вниз, когда он работает. Как и в случае с саморезами, важно, чтобы кнопка не выступала из дерева, иначе таймер будет нестабильным при его переворачивании.

Отмерьте и вырежьте отверстие, достаточно большое для размещения контактов платы и 3-проводного разъема Dupont от платы управления. Поместите кнопку на место и обведите контур доски. Используя комбинацию сверления и долбления, сформируйте углубление, которое позволяет кнопке располагаться достаточно низко, чтобы она не мешала положению таймера. Я также счел полезным обрезать провода в верхней части платы, чтобы сделать их как можно короче.

Шаг 17: просверлите отверстия в конце таймера для проводов

И для емкостной сенсорной кнопки, и для светодиодной ленты нужны провода, идущие изнутри корпуса. Чтобы освободить для них место, просверлите два отверстия в конце таймера до внутренней части корпуса.

В первом отверстии есть место для трех проводов, питающих светодиодную ленту. Форма не имеет решающего значения, но вам нужно вырезать немного на передней части таймера, чтобы они могли загнуться вперед.

Вторая задержка идет от платы управления к емкостной сенсорной кнопке. Положение и размер этого отверстия должны соответствовать отверстию, которое вы вырезали на предыдущем шаге. Выровняйте верх и отметьте отверстие. Просверлите и долейте, пока трехжильный разъем Dupont не пройдет чисто и не подключится к кнопке.

Шаг 18: Обрежьте основу из оргстекла

Задняя часть таймера сделана из прозрачного плексигласа, который удерживает электронику и демонстрирует ее! Обведите контур корпуса и используйте инструмент для надрезания или универсальный нож, чтобы надрезать оргстекло. Несколько раз надрежьте линию надреза, чтобы она получилась глубокой. Совместите линию надреза с краем стола и быстрым движением вниз отломите кусок оргстекла. Он должен сломаться чисто.

Этот метод работает только с разрывами, которые проходят через оргстекло, поэтому для получения нужного размера может потребоваться два разрыва. Пока оставьте защитную пленку.

Шаг 19: просверлите отверстия для подкладки

Выровняйте заднюю часть оргстекла и надежно заклейте лентой. Просверлите отверстие в каждом углу для маленького винта. Я использовал шурупы с полукруглой головкой 5/8 дюйма № 6. Будьте осторожны, чтобы не просверлить слишком глубоко в древесине. Отцентрируйте отверстия для шурупов в доступной древесине в каждом углу, чтобы обеспечить максимальную удерживающую силу.

Шаг 20: отметьте обратное выравнивание

Одна из проблем, с которой я столкнулся в прошлом, заключается в том, что я забываю, как было ориентировано оргстекло, когда я просверливал отверстия. Однако небольшие различия в расположении винтов часто означают, что они не подходят для других вариантов. Вместо того, чтобы гадать, я создаю отметку, которая говорит мне, как именно должны быть ориентированы части.

Перед тем, как удалить ленту, с помощью напильника или небольшой пилы прорежьте асимметричную выемку в оргстекле и дереве. Эта отметка выровняется только тогда, когда части находятся в правильном положении.

Шаг 21: вырезать форму песочных часов

Теперь, когда корпус практически готов, мы можем вырезать форму песочных часов. Точные размеры не важны, но убедитесь, что вы не слишком ослабляете корпус, разрезая его близко к внутренним коробкам.

Не снимая ленты, разрежьте одновременно дерево и оргстекло. Я использовал ленточную пилу, но большинство ручных пил могут резать оба материала. Очистите порезы напильником и наждачной бумагой.

Шаг 22: вырежьте канавку для светодиодной ленты

На передней панели таймера есть паз для размещения светодиодной ленты, а также диффузионного материала. Выровняйте светодиодную ленту и обведите ее контур на дереве. Добавьте набор параллельных линий примерно от 1/8 до 1/16 за пределами этих линий, чтобы отметить, когда рассеиватель пойдет.

Этот шаг самый сложный без надлежащего электроинструмента. Я использовал настольную пилу с лезвием дадо, чтобы вырезать глубокий канал для светодиодов (внутренние линии). Убедитесь, что вы не прорезали внутреннюю часть корпуса! Затем я вырезаю неглубокий канал для диффузора (внешние линии). Проверьте установку светодиодной ленты и убедитесь, что провода удобно доходят до платы управления.

На этом вы почти закончили!

Шаг 23: Отшлифуйте и закончите

Отшлифуйте все три деревянные части наждачной бумагой 220 или выше. Я также хотел бы добавить небольшой скос вдоль всех углов под прямым углом, чтобы придать корпусу более изысканный вид и сделать его более удобным в использовании.

Я начинаю с одного или двух слоев шеллака, который тонет в древесине и действительно подчеркивает текстуру. Он быстро сохнет, поэтому долго ждать не придется. После высыхания слегка отшлифуйте наждачной бумагой 320 или 400, чтобы выровнять поверхность. Но не переусердствуйте: вы все равно должны будете видеть часть глянцевой поверхности.

Затем я наношу один или два слоя протираемого полиуретана, который является жестким, но привлекательным покрытием. Вы можете слегка отполировать его стальной ватой, когда он высохнет.

Шаг 24: соберите электронику

Начните окончательную сборку, пропустив светодиодную ленту изнутри корпуса в канал на передней панели. Снимите липкую ленту или приклейте ее к каналу с помощью небольшого количества клея.

Затем приклейте емкостную сенсорную кнопку к углублению наверху. Вы должны увидеть штифты, торчащие из дна. Убедитесь, что кнопка находится заподлицо (или ниже) с поверхностью верхней части, чтобы таймер не качался.

Вставьте аккумулятор в нижний отсек и вставьте разъем USB. Используйте немного горячего клея, чтобы убедиться, что он надежно закреплен в пространстве.

Добавьте плату управления в верхний отсек корпуса. Пропустите разъем JST от аккумулятора через скрытый канал в центре таймера. Подключите его к разъему JST на плате управления.

Пропустите 3-проводной разъем Dupont от платы управления через отверстие в верхней части и подключите его к контактам в нижней части емкостной сенсорной кнопки.

Протолкните кнопку включения / выключения через отверстие в боковой части корпуса (снаружи), чтобы она плотно встала на место. Присоедините две клеммы к двум выводам переключателя.

У вас должна быть установка, показанная на последней фотографии.

Шаг 25: Завершите сборку корпуса

Выровняйте оргстекло и закрепите его четырьмя винтами. Прикрутите верхнюю и нижнюю части. Убедитесь, что все выровнено, и убедитесь, что таймер ровно стоит на столе с обеих сторон.

Шаг 26: добавьте диффузионный материал

Отрежьте полосу диффузионного материала, которая немного шире канала вокруг светодиодной ленты. Это заставит диффузор немного прогнуться, удерживая его на месте без клея и обеспечивая большее рассеивание. В целом, чем дальше рассеиватель находится от светодиода, тем более рассеянным он их делает.

Есть много подходящих материалов. Я использовал тонкие пластиковые коврики для резки (дешево на Amazon) и эту пластиковую «доску для плакатов» (которая тонкая и гибкая, а вовсе не «доска»).

Шаг 27: настройте и загрузите код

Загрузите код с github.com/samguyer/VizTimer. Вам также понадобится библиотека FastLED, которая предоставляет низкоуровневые драйверы для светодиодов. Детали, которые вам, скорее всего, нужно будет заменить, находятся прямо вверху: пять контактов (вывод светодиода, контакт емкостного сенсорного экрана и три контакта акселерометра). Также может потребоваться установить количество светодиодов в полосе.

Не стесняйтесь исследовать и изменять код!

Подключите плату управления к компьютеру и загрузите код. Вам нужно будет снять подложку из плексигласа, чтобы добраться до разъема micro-USB на микроконтроллере.

Шаг 28: как его использовать

Целью этой конструкции было максимально упростить установку и запуск таймера.

Таймер имеет три режима: режим программирования, режим отсчета времени и режим паузы. Режим определяется ориентацией таймера: режим программирования, когда емкостная сенсорная кнопка находится вверху, режим таймера, когда она находится внизу, и режим паузы, когда таймер находится сбоку.

ПРОГРАММНЫЙ РЕЖИМ

При первом включении вы увидите мигающий желтый «курсор» внизу светодиодной ленты. Коснитесь емкостной кнопки, чтобы добавить время с шагом 15 секунд. Каждые 15 секунд отображаются в виде фиолетовой точки. Когда вы дойдете до 60 секунд, фиолетовые точки заменятся синей точкой, которая представляет минуту. Удерживайте кнопку, чтобы непрерывно добавлять минуты, пока кнопка не будет отпущена. Каждая пятая минутная точка окрашена в белый цвет, чтобы было легче увидеть общую сумму.

РЕЖИМ ВРЕМЕНИ

При повороте таймера начинается обратный отсчет. Все точки вначале горят, независимо от общего времени - это был выбор дизайна с моей стороны. Вы также можете запрограммировать его так, чтобы каждая точка всегда означала одно и то же время.

Точки падают одна за другой, пока не истечет время. Затем таймер показывает красочный «финал» примерно на 15 секунд. Чтобы вернуться в режим программирования, поверните таймер обратно. Желтый курсор появится снова. Если вы сразу же снова запустите таймер, не запрограммировав его, он будет использовать предыдущее количество времени.

Приятным дополнением к этому таймеру будет небольшой динамик для воспроизведения звуков, особенно сигнала будильника в конце.

РЕЖИМ ПАУЗЫ

В режиме отсчета времени вы можете приостановить таймер, повернув его на 90 градусов и положив на бок. Временные точки застывают на месте и мягко пульсируют, показывая, что таймер ожидает перезапуска. Поверните его обратно, чтобы продолжить отсчет времени, или другим способом, чтобы вернуться в режим программирования.

Надеюсь, вам понравится это устройство так же, как и мне!