MechWatch - цифровые часы на заказ: 9 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

MechWatch - это часы, которые я разработал, чтобы иметь преимущества Arduino с точки зрения гибкости, но я хотел, чтобы они выглядели и чувствовали себя настолько профессионально, насколько это возможно. С этой целью в этом руководстве используется довольно продвинутая электроника для поверхностного монтажа (без открытых соединений с припоем) и фрезерное оборудование с ЧПУ.

Начну с того, как читается время, с иллюстрации на втором рисунке. Есть два светодиодных кольца, одно - это часовая стрелка, а другое действует как минутная стрелка, указывая от 1 до 12, как на аналоговом циферблате. Поскольку минутная стрелка может двигаться только с 5-минутным шагом, есть 4 отдельных светодиода, отображающих отдельные минуты. В качестве примера на третьем рисунке показаны часы, показывающие 9:41.

Взаимодействие с часами осуществляется с помощью двухпозиционного переключателя на боковой стороне, которая скользит по направлению к ушкам (вперед / назад). Чтобы установить время:

1. нажмите и удерживайте переключатель, пока не погаснет свет. Когда он будет отпущен, время будет мигать, и переключатель можно будет нажимать вверх / вниз, чтобы изменить час.

2. Снова нажмите и удерживайте переключатель, пока не погаснет свет, чтобы таким же образом переключиться на установку минут.

3. Нажмите и удерживайте переключатель, пока свет снова не погаснет, чтобы сэкономить время.

4. Если вы будете слишком долго ждать, устанавливая время, не нажимая кнопку, часы просто перейдут в спящий режим без сохранения изменений.

В этом инструктивном описании показано, как выполнить полное наблюдение, и представлены все необходимые исходные файлы.

Шаг 1: Дизайн электроники

Этот шаг описывает особенности электроники. Первое изображение - электрическая схема, показывающая, как очерчены все части. На втором изображении показано, как устроена плата, верх красный, а нижний синий.

Для всех, кто интересуется точным списком материалов для всех деталей электроники, а также где я их покупаю, я прикрепил файл Excel со ссылками, вместо того, чтобы заставлять всех прокручивать длинный список.

Я хотел, чтобы верх печатной платы оставался относительно чистым и соответствовал эстетике дизайна, поэтому я поместил микроконтроллер посередине и расположил вокруг него RTC, кристалл и резисторы. Светодиоды окружают снаружи, и даже следы вокруг внешней стороны отражают эстетику круглого дизайна.

Для взаимодействия светодиодов с микроконтроллером они могут быть расположены в сетке, требующей 12 цифровых контактов ввода / вывода для их управления. Также я хочу использовать часы реального времени (RTC), чтобы отслеживать время, чтобы я мог перевести микроконтроллер в глубокий сон для экономии энергии. RTC потребляет значительно меньше энергии, чем микроконтроллер, обеспечивая до 5 дней между зарядками. Для связи с микроконтроллером RTC требует связи I2C. Я выбрал ATMEGA328P, потому что он отвечает этим требованиям, и я уже знаком с ним (он также используется во многих Arduinos).

Для взаимодействия с часами пользователю нужен какой-то переключатель, поэтому я нашел двусторонний ползунковый переключатель, который возвращается в центр с помощью пружин. Внешний ползунковый переключатель прикрепляется к электрическому переключателю с помощью установочного винта.

Я решил использовать литиевую батарею для питания всего и индуктивную зарядку Qi для ее подзарядки. Я хотел избежать использования каких-либо разъемов для подзарядки часов, потому что они имеют отверстия для попадания грязи и воды и, вероятно, со временем будут разъедать, будучи так близко к коже. Прочитав больше технических данных, чем кто-либо когда-либо хотел бы, я остановился на BQ51050BRHLT. У него хорошие справочные схемы и встроенное зарядное устройство для литиевой батареи (пространство в цене).

Поскольку не было удобного способа разместить электронику зарядки Qi сверху, мне пришлось положить ее на заднюю часть платы вместе с аккумулятором. Переключатель также расположен сзади, но это потому, что это лучшее место для подключения внешнего переключателя.

Шаг 2: Сборка электроники

Я расставил почти все элементы электроники на первой картинке. Я оставил некоторые конденсаторы и резисторы, потому что все они очень похожи и их легко перепутать или потерять.

Чтобы нанести припой на контактные площадки, я воспользуюсь трафаретом для припоя. Я быстро сделал держатель на втором рисунке, чтобы платы были выровнены под трафарет, но есть несколько более простых вариантов, самый простой из которых - лента.

На третьем рисунке показан трафарет, выровненный по доске. Четвертое изображение показывает намазывание паяльной пасты на отверстия трафарета. Важно, чтобы трафарет после нанесения припоя поднимался вертикально вверх. Эта фотография также показывает импровизированный способ, которым я это делаю, потому что я никогда раньше не использовал трафарет. В следующий раз я бы не стал покупать раму. Было бы проще просто приклеить меньший лист вдоль одного края без рамки, живи и учись.

Теперь утомительная и трудная задача; поместите каждую из частей на доску с помощью пинцета. На рисунке 7 показаны размещенные детали, а на рисунке 8 - припаянные.

На видео вместо 6-го рисунка показан процесс пайки. Я использую термовоздушную паяльную станцию, установленную на 450C, чтобы расплавить припой, не повредив детали, в качестве альтернативы можно использовать паяльную печь, чтобы сделать то же самое. После пайки нижней части используйте мультиметр, установленный в режим проверки целостности цепи, чтобы проверить наличие короткого замыкания между соседними контактами на ИС. При обнаружении замыкания паяльником оторвите его от микросхемы и сломайте.

При такой пайке важно медленно нагреть плату в течение пары минут перед тем, как приступить к плавлению. В противном случае тепловой удар может повредить детали. Я бы посоветовал посмотреть более подробные инструкции, если вы не знакомы с этим методом.

Далее необходимо подключить катушку к 2-х проводному разъему и подержать ее над зарядной базой. Если все прошло хорошо, зеленый индикатор зарядки должен загореться примерно на секунду, а затем погаснуть. Если батарея подключена, зеленый индикатор зарядки должен гореть до тех пор, пока она не закончится.

После того, как зарядка заработает должным образом, аналогичным образом припаяйте верхнюю часть платы. Обратите внимание на светодиоды на рисунке 9: в нижней части светодиодов есть небольшая отметка, указывающая ориентацию. Сторона, в которую выходит маленькая линия, является узким концом треугольника на схеме светодиода. Это важно проверять для каждого используемого светодиода для поверхностного монтажа, поскольку маркировка может различаться у разных производителей.

Шаг 3: Программирование и тестирование электроники

Используйте AVRISP mkII для программирования микроконтроллера (нажмите и удерживайте shift, нажимая кнопку загрузки в Arduino IDE). Также можно использовать его, чтобы просто записать загрузчик как обычно и использовать последовательное соединение на задней панели часов с кабелем FTDI. Но при обходе загрузчика и программировании напрямую с помощью AVR ISP mkII код запускается быстрее при включении питания.

Я также прикрепил код к этому шагу. Если кто-то захочет изучить более подробно, я прокомментировал код, чтобы объяснить, что делает каждая часть. Общая структура кода - это конечный автомат. У каждого состояния есть фрагмент кода, который он запускает, а также условия для перехода в другое состояние.

Большая часть кода, управляющего выводами ввода-вывода, напрямую управляет регистрами, его немного сложнее читать, но он может выполняться до 10 раз быстрее, чем цифровой. Запись или чтение.

Шаг 4: Настройка обработки

Настройка механической обработки корпуса часов довольно сложна и требует хорошей подготовки.

Мельница, которую я использую, - это Othermill v2 (теперь она называется Bantam Tools) с комплектом зажимов для пальцев. Зажимы позволяют удерживать заготовку с боков, которые я использую для первой настройки.

Обработка часов осуществляется в трех установках. При первой установке исходный материал просто прижимается к станине с ЧПУ, и фрезерный станок вырезает внутреннюю форму часов и удаляет небольшую часть поверхности. Установку программного обеспечения для обработки можно увидеть на 6-м изображении.

Вторая установка требует специального приспособления для удержания корпуса часов изнутри, чтобы можно было вырезать всю верхнюю внешнюю форму часов. Изготовленное на заказ приспособление можно увидеть на первом изображении, а на втором изображении - в разобранном виде. Маленькая центральная деталь имеет резьбовое отверстие, поэтому при затягивании винта он поднимает деталь и вдавливает две боковые детали в корпус часов, удерживая ее на месте. Программное обеспечение для обработки для второй установки показано на рисунке 7.

Третья установка требует другого специального приспособления для удержания часов; этот немного проще. Крепление состоит из основания и детали, которая входит в часы. Деталь внутри часов фиксируется двумя стойками на основании и винтами, чтобы удерживать корпус часов вверх дном.

Я изготовил детали крепления из больших кусков алюминия и оставил их соединенными язычками. После того, как обе стороны обработаны, я вырезаю выступы спиральной пилой и шлифую их до гладкости.

Я включил файлы САПР fusion360, которые я использовал для изготовления всех деталей (включая корпус часов и боковой переключатель), но если вы пытаетесь изготовить детали, руководствуйтесь собственными суждениями. Я не несу ответственности, если что-то пойдет не так и сломается.

Совет по повышению точности приспособлений: сначала обработайте любую деталь, которая сопрягается с машиной, затем поместите ее в окончательное место, а затем обработайте до окончательных размеров. Это гарантирует, что многие мелкие ошибки не усугубятся и не будут держать корпус часов в неправильном месте. Эти знания принесла вам куча алюминиевого лома.

Шаг 5: Обработка корпуса

Стартовую алюминиевую заготовку можно увидеть на первом фото. Я использую кольцевую пилу диаметром 1-1 / 4 дюйма для удаления центра, это значительно экономит время обработки.

Как упоминалось в предыдущем шаге, есть 3 настройки для обработки корпуса. Первая установка после обработки показана на рисунке 2. Сначала я использую концевую фрезу 1 1/8 дюйма (плоскую снизу), чтобы удалить большую часть материала. Затем я переключаюсь на концевую фрезу 1/32 дюйма, чтобы нарезать 4 винта. дыры. Чтобы нарезать резьбу в отверстиях для винтов, я затем использую резьбовую фрезу M1.6 (от Harvey tools). Конкретные настройки, которые я использую, содержатся в файле CAD Fusion360.

На рисунке 3 показана вторая установка с завершенной обработкой, а на четвертом изображении показана третья установка перед обработкой.

Вторая установка обрабатывается с использованием концевой фрезы 1/8 дюйма для быстрого удаления большей части материала, затем я использую шаровую мельницу 1/8 дюйма (с круглым концом) для резки изогнутых поверхностей. То же самое и для третьей установки.

Вторая установка требует использования другого специализированного инструмента, продольной пилы 3/4 дюйма с модифицированной оправкой, чтобы она могла плотно прилегать к держателю корпуса часов. Пила для продольной резки вращается со скоростью 16500 об / мин и движется со скоростью 30 мм / мин. Эта скорость подталкивает то, на что способна Othermill, поэтому может потребоваться еще больше замедлить его. Этот шаг показан на видео выше.

Если вы хотите узнать больше о специфике обработки с ЧПУ, я укажу вам на NYC CNC на YouTube. Они делают свою работу лучше, чем я мог бы здесь.

Просто для справки для тех, кто знает, что это означает, настройки, используемые на другой фрезе v2 для концевой фрезы 1/8 , составляют 16400 об / мин (163,5 м / мин), 300 мм / мин, глубину резания 1 мм и ширину 1,3 мм. резать.

Поскольку у другой фрезы не хватает высоты z, чтобы держать часы на боку, мне нужно вручную просверлить отверстия для ремешка для часов и отверстие для бокового переключателя. Чтобы найти их на сторонах часов неправильной формы, я напечатал на 3D-принтере несколько направляющих, показанных на рисунках 5-7. Для повышения точности сверления важно, чтобы сверло вошло как можно глубже в патрон; это затрудняет блуждание удила.

Отверстие для бокового переключателя имеет некруглую форму, поэтому его необходимо доработать после начала работы с дрелью, которая выполняется с помощью швейцарских файлов. Штангенциркулем я измеряю текущее отверстие и подпиливаю его до нужного размера. Отверстие должно располагаться на расстоянии 4,6 мм от верхней поверхности, 3,8 мм от нижней поверхности и 25,8 мм от самой дальней точки каждого выступа. Я предлагаю посмотреть Clickspring на YouTube для вдохновения при заполнении дыры.

Шаг 6: Обработка бокового переключателя

Файлы, использованные на этом этапе, были включены в zip-файл обратно в настройках обработки.

Боковой переключатель обработан так же, как корпус MechWatch. Его фрезеруют с помощью концевой фрезы 1/8 дюйма с теми же настройками, что и корпус. Затем используйте шаровую мельницу 1/8 дюйма на изогнутых поверхностях с теми же настройками, что и раньше.

Вторая установка показана на рисунках 3-4 до и после обработки. Концевая фреза 1/8 ", шаровая мельница 1/8", концевая фреза 1/32 ", затем резьбовая фреза M1.6 (есть отверстие с резьбой для крепления к переключателю на плате).

Я вытачиваю выключатель из куска алюминия большего размера по двум причинам. Первая причина в том, что я могу зажать стороны и случайно не фрезеровать деталь, которая ее держит. Во-вторых, когда я помещаю его в слот для третьей операции, он все еще может быть зажат (см. Рисунок 5).

Шаг 7: Обработка задней части корпуса

Дно часов сделано из акрила, оно должно быть неметаллическим из-за индукционной зарядки. Я использую алюминиевые обрезки, чтобы отделить его от края (каждый толщиной 12,7 мм), и двусторонний скотч, чтобы удерживать его на месте.

Поскольку пластик намного легче обрабатывать, чем алюминий, можно действовать более агрессивно с настройками ЧПУ. Начиная с концевой фрезы 1/8 дюйма, настройки: 16500 об / мин, скорость резания 600 мм / мин, глубина резания 1,5 мм и ширина резания 1 мм. Для резки мелких деталей используйте концевую фрезу 1/32 дюйма с те же настройки, но глубина резания 0,25 мм и ширина реза 0,3 мм.

Вытащив зубочистку из бревна (мне следовало бы использовать более тонкую ложу, но это то, что у меня есть), у меня закончили заднюю часть часов. В нем вырезана форма электромагнита, чтобы часы оставались тонкими.

Чтобы снять его с кровати, я вставляю шестигранный ключ в Т-образный паз и осторожно приподнимаю, переходя к следующей точке, когда он начинает ослабевать.

Последний шаг - взять сверло и аккуратно зенковать отверстия на нижней стороне. Я проворачиваю сверло вручную. Мне легче сохранять концентрацию и контроль.

Файлы, использованные на этом этапе, снова были включены в zip-файл при настройке обработки.

Шаг 8: сборка часов

Это самый полезный шаг - собрать все детали и собрать их в готовые часы. Все расположенные детали (за исключением ремешка для часов шириной 24 мм и быстросъемных пружинных стержней длиной 24 мм и диаметром 1,5 мм) показаны на рисунке 1.

Первая часть сложна, так как уплотнительные кольца диаметром 40 мм, которые я заказал, на самом деле ближе к 37 мм, поэтому их нужно быстро растянуть и установить. Используйте конец шарикового ключа с внутренним шестигранником, чтобы вдавить его на место, прокручивая по канавке, как показано на рисунке 2.

Когда уплотнительное кольцо будет правильно установлено, плотно вдавите кристалл (диаметром 40 мм и толщиной 1,5 мм) в корпус часов. Уплотнительное кольцо должно удерживать его на месте, оставаясь почти невидимым.

Пришло время установить электронику. Во-первых, протрите кристалл изнутри безворсовой тканью и поместите электронику в корпус, обращая внимание на ключ, чтобы ориентация оставалась прямой. Печатная плата должна плотно прилегать к корпусу, но если она не закреплена, ее можно закрепить небольшой каплей суперклея на ключ, чтобы удерживать ее на месте.

Когда электроника вставлена, боковой переключатель проходит через отверстие и над переключателем, установленным на печатной плате. Установочный винт M1.6 скрепляет две детали, как показано на рисунке 4.

Затем более длинные кабели на катушке необходимо сложить и заправить так, чтобы они не натирали оголенные электрические контакты.

Предпоследний шаг - закрыть все и прикрепить пластиковую крышку обратно 4 винтами M1.6. Важно обратить внимание на то, чтобы форма на спине совпадала с формой катушки. Возможно, потребуется подправить расположение проводов, чтобы они лучше подходили.

Последний шаг - прикрепить ремешок часов с помощью быстросъемных пружинных стержней (рисунки 8-9). В зависимости от выбранной ленты может потребоваться ее доработка для работы с пружинными стержнями. Для показанной ленты из акульей сетки я использую кусачки, чтобы сделать небольшое отверстие для механизма быстрого отсоединения.

Шаг 9: Заключительные примечания

Часы готовы!

Всего пара примечаний: боковой переключатель может иногда становиться немного липким, чтобы исправить это, может потребоваться увеличить отверстие или отрегулировать положение переключателя, ослабив установочный винт, удерживая переключатель близко к корпусу и повторно затягивая винт.

Для зарядки часов я сделал специальную подставку для зарядки на основе зарядного устройства Adafruit Qi (https://www.adafruit.com/product/2162), показанного на втором рисунке, но это тема для другого раза.

Какое бы зарядное устройство ни было выбрано, важно отметить, что между катушкой и зарядным устройством не должно быть металла. Так как ремешок, который я выбрал, металлический, его нужно носить с зарядным устройством.

Спасибо, что дочитали до конца, надеюсь, вы кое-что узнали. Я счастлив поделиться MechWatch после нескольких месяцев создания.

Первый приз в конкурсе часов