MechWatch - en tilpasset digital klokke: 9 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:24

MechWatch er en klokke jeg designet for å ha fordelene med Arduino når det gjelder fleksibilitet, men jeg ville at den skulle se ut og føles så profesjonelt som jeg kunne. For dette formål bruker denne instruerbare ganske avansert elektronikk for overflatemontering (ingen utsatte tilkoblinger til loddetinn) og CNC -freseutstyr.

Jeg begynner med hvordan tiden leses, med en illustrasjon i det andre bildet. Det er to LED-ringer, den ene er timeviseren og den andre fungerer som en minuttviser, som peker fra 1-12 som på en analog urskive. Fordi minuttviseren bare kan bevege seg i trinn på 5 minutter, er det fire separate lysdioder for å vise noen minutter. Som et eksempel viser det tredje bildet klokken som viser 9:41.

Klokkeinteraksjonen gjøres gjennom en toveisbryter på siden som glir mot tappene (fremover/bakover). Slik stiller du inn tiden:

1. Trykk og hold bryteren til lysene slås av. Når den slippes, blinker tiden og bryteren kan skyves opp/ned for å endre timen

2. Trykk på og hold bryteren igjen til lysene slås av for å bytte til å stille inn minuttene på samme måte

3. Trykk og hold bryteren til lysene slås av igjen for å spare tid

4. Hvis du venter for lenge mens du stiller inn tiden uten å trykke på en knapp, vil klokken bare gå i dvale uten å lagre noen endringer

Denne instruksen beskriver hvordan du lager hele klokken og inneholder alle nødvendige kildefiler.

Trinn 1: Elektronikkdesign

Dette trinnet beskriver detaljene i elektronikken. Det første bildet er det elektriske skjemaet, som viser hvordan alle delene er skissert. Det andre bildet viser hvordan brettet er arrangert, toppen er rød og bunnen er blå.

For alle som er interessert i den nøyaktige materialliste for alle elektronikkdelene så vel som hvor jeg kjøper dem, har jeg lagt ved en excel -fil med lenker, i stedet for å få alle til å bla etter den lange listen.

Jeg ønsket å holde toppen av kretskortet relativt klart med en konsistent designestetikk, så jeg satte mikrokontrolleren i midten og satte RTC, krystall og motstander rundt den. Lysdiodene omgir utsiden og til og med sporene rundt utsiden speiler den sirkulære designestetikken.

For å koble lysdiodene til mikrokontrolleren kan de arrangeres i et rutenett, som krever 12 digitale I/O -pinner for å drive dem. I tillegg vil jeg bruke en sanntidsklokke (RTC) for å holde tiden, slik at jeg kan sette mikrokontrolleren i en dyp søvn for å spare strøm. RTC bruker betydelig mindre strøm enn en mikrokontroller, noe som gir opptil 5 dager mellom ladningene. For å kommunisere med mikrokontrolleren krever RTC I2C -kommunikasjon. Jeg valgte ATMEGA328P fordi den oppfyller disse kravene, og jeg er allerede kjent med å bruke den (den brukes også i mange Arduinos).

For å samhandle med klokken trenger brukeren en slags bryter, så jeg fant en toveis skyvebryter som går tilbake til midten ved hjelp av fjærer. En ekstern glidebryter festes til den elektriske bryteren ved hjelp av en skrue.

Jeg bestemte meg for å bruke et litiumbatteri for å drive alt og Qi induktiv lading for å lade det opp. Jeg ville unngå å bruke noen form for kontakter for å lade klokken fordi de presenterer åpninger for å slippe inn skitt og vann og vil trolig tære over tid, så nær huden. Etter å ha lest flere datablad enn noen noen gang ville, bestemte jeg meg for BQ51050BRHLT. Den har gode referansediagrammer og en innebygd litiumbatterilader (plass er på en premie).

Siden det ikke var noen fin måte å ordne Qi -ladeelektronikken på toppen, måtte jeg sette den på baksiden av brettet med batteriet. Bryteren er også plassert på baksiden, men det er fordi det er et bedre sted å koble til en ekstern bryter.

Trinn 2: Elektronikkmontering

Jeg har ordnet nesten alle elektronikkdelene i det første bildet. Jeg utelot flere av kondensatorene og motstandene, fordi de alle ser veldig like ut og er lette å blande eller miste.

For å få loddetinnet på putene, bruker jeg en loddestencil. Jeg lagde raskt holderen på det andre bildet for å holde kretskortene justert under sjablongen, men det er flere enklere alternativer tilgjengelig, det enkleste er tape.

Det tredje bildet viser sjablongen justert over brettet. Det fjerde bildet viser smøring av loddemassen i hullene i sjablongen. Det er viktig at sjablongen løftes rett opp etter påføring av loddetinn. Dette bildet avslører også den provisoriske måten jeg gjør dette på fordi jeg aldri har brukt en sjablong før. Neste gang ville jeg ikke kjøpe rammen. Det hadde vært lettere å bare tape et mindre ark langs den ene kanten uten rammen, leve og lære.

Nå en kjedelig og vanskelig oppgave; legg hver av delene på brettet med en pinsett. Bilde 7 viser delene plassert og bilde 8 viser dem loddet.

Videoen i stedet for det sjette bildet viser loddeprosessen. Jeg bruker en varmlufts loddestasjon satt til 450C for å smelte loddetinnet uten å forstyrre delene, vekselvis er det mulig å bruke en loddeovn for å gjøre det samme. Etter lodding i bunnen, bruk et multimeter satt til kontinuitetsmodus for å se etter shorts mellom tilstøtende pinner på IC. Når det er funnet en kort, bruk et loddejern til å dra det vekk fra brikken og bryte den.

Ved lodding som dette er det viktig å varme brettet sakte i et par minutter før du går inn for smeltingen. Ellers kan termisk sjokk ødelegge delene. Jeg vil foreslå å se mer detaljerte instruksjoner hvis du ikke er kjent med denne metoden.

Deretter er det nødvendig å koble spolen til 2 -lederkontakten og holde den over ladebasen. Hvis alt gikk bra, skulle det grønne ladelyset tennes i omtrent et sekund og deretter slå seg av. Hvis et batteri er tilkoblet, skal den grønne ladelampen lyse til den er fulladet.

Etter at ladingen fungerer som forventet, er det samme prosess å lodde oversiden av brettet. En merknad for lysdiodene på bilde 9, det er en liten markering på undersiden av lysdiodene for å vise retningen. Siden den lille linjen kommer ut mot er den smale enden av trekanten i LED -skjematikken. Det er viktig å sjekke dette for hver overflatemonterte LED du bruker fordi merkene kan variere mellom forskjellige produsenter.

Trinn 3: Elektronikkprogrammering og testing

Bruk en AVRISP mkII til å programmere mikrokontrolleren (trykk og hold inne shift mens du klikker på opplasting i Arduino IDE). Det er også mulig å bruke den til å bare brenne bootloaderen som normalt og bruke den serielle tilkoblingen på baksiden av klokken med en FTDI -kabel. Men ved å omgå oppstartslasteren og programmere direkte med AVR ISP mkII, starter koden raskere ved oppstart.

Jeg har også lagt ved koden til dette trinnet. Hvis noen vil se mer grundig, har jeg kommentert koden for å forklare hva hver del gjør. Kodens generelle struktur er en statlig maskin. Hver stat har et stykke kode den kjører, samt betingelser for å flytte til en annen tilstand.

Mye av koden som styrer I/O -pinnene styrer registrene direkte, det er litt vanskeligere å lese, men det kan være opptil 10 ganger raskere i utførelse enn digitalt. Skrive eller lese.

Trinn 4: Maskinoppsett

Bearbeidingsoppsettet for urkassen er ganske komplekst og krever en god del forberedelser.

Kvernen jeg bruker er en Othermill v2 (nå kalt Bantam Tools) med en klemmesett. Klemmene lar meg holde arbeidsstykket fra sidene, som jeg bruker til det første oppsettet.

Klokkebearbeiding utføres i tre oppsett. Det første oppsettet har bare startmaterialet festet til CNC -sengen og møllen kutter ut den innvendige formen på klokken og fjerner litt av overflaten. Oppsettet for bearbeidingsprogramvare kan sees på det sjette bildet.

Det andre oppsettet krever en tilpasset armatur for å holde urkassen fra innsiden, så det er mulig å kutte hele den ytre formen på klokken. Den tilpassede armaturen kan sees på det første bildet med en eksplodert visning i det andre bildet. Det lille senterstykket har et hull med hull, så når en skrue strammes, løfter det brikken og tvinger de to sidestykkene inn i urkassen og holder den på plass. Bearbeidingsprogramvaren for det andre oppsettet er sett på bilde 7.

Det tredje oppsettet krever en annen tilpasset armatur for å holde klokken; denne er litt enklere. Armaturet består av en base og et stykke som går inne i klokken. Brikken inne i klokken registreres med to stolper på basen og skruer på plass for å holde urkassen opp ned.

Jeg bearbeidet armaturdelene fra større biter av aluminium og lot dem være forbundet med tapper. Etter at begge sider er bearbeidet, kutter jeg tappene med en rullesag og pusser dem glatt.

Jeg har tatt med fusion360 CAD -filene jeg brukte til å lage alle delene (inkludert urkassen og sidebryteren), men bruk din egen vurderingsevne hvis du prøver å lage delene. Jeg er ikke ansvarlig hvis noe går galt og går i stykker.

Et hint for å gjøre armaturene mer nøyaktige: bearbeid hvilken som helst del som grensesnitt med maskinen først, og legg den deretter på det endelige stedet, og maskinér den deretter til endelige dimensjoner. Dette sikrer at mange små feil ikke blir sammensatt og holder uret på feil sted. Denne kunnskapen brakt til deg av en haug med skrapaluminium.

Trinn 5: Bearbeide saken

Startaluminiumemnet kan sees på det første bildet. Jeg bruker en 1-1/4 hullsag for å fjerne senteret, dette sparer ganske mye bearbeidingstid.

Som nevnt i forrige trinn er det 3 oppsett for bearbeiding av saken. Det første oppsettet etter maskinering er sett på bilde 2. Jeg bruker først 1 1/8 "endefres (flat på bunnen) for å fjerne det meste av materialet. Jeg bytter deretter til en 1/32" endefres for å kutte 4 skruen hull. For å kutte gjengene i skruehullene bruker jeg deretter en M1.6 gjengemaskin (fra Harvey -verktøy). De spesifikke innstillingene jeg bruker finnes i Fusion360 CAD -filen.

Bilde 3 viser det andre oppsettet med bearbeiding ferdig og det fjerde bildet viser det tredje oppsettet før bearbeiding.

Det andre oppsettet bearbeides med en 1/8 "endefres for å fjerne det meste av materialet raskt, så bruker jeg en 1/8" kulemølle (rund ende) for å kutte de buede overflatene. Operasjonene er de samme for det tredje oppsettet også.

Det andre oppsettet krever bruk av et annet spesialisert verktøy, en 3/4 slissag med en modifisert arbor slik at den kan passe tett sammen med urkasseholderen. Slissagen snurrer ved 16500 o/min og beveger seg med 30 mm/min. Denne hastigheten skyver hva Othermill er i stand til, så det kan være nødvendig å bremse den enda mer. Dette trinnet vises i videoen ovenfor.

Hvis du ønsker å lære mer om detaljene om CNC -bearbeiding, vil jeg peke deg på NYC CNC på YouTube, De gjør en bedre jobb enn jeg noen gang kunne gjort her.

Bare for referanse for de som vet hva det betyr, er innstillingene som brukes på den andre møllen v2 for 1/8 endefres 16400 RPM (163,5 m/min), 300 mm/min, 1 mm skjæredybde og 1,3 mm bredde på skjære.

Fordi den andre møllen ikke har nok z -høyde til å holde klokken på siden, må jeg manuelt bore hullene til urbåndet og hullet til sidebryteren. For å hjelpe dem med å finne dem på de uregelmessig formede sidene av klokken, trykte jeg 3D noen guider, sett på bildene 5-7. For å hjelpe til med nøyaktigheten til boringen er det viktig å få borekronen så langt som mulig inn i chucken; dette gjør det vanskeligere for biten å vandre.

Sidebryterhullet er en ikke-sirkulær form, så det må finpusses etter å ha kommet i gang med boret, som gjøres med sveitsiske filer. Ved hjelp av tykkere måler jeg det nåværende hullet og arkiverer det til riktig dimensjon. Hullet skal være 4,6 mm fra toppflaten, 3,8 mm fra bunnoverflaten og 25,8 mm fra det lengste punktet på hver flik. Jeg foreslår at du ser Clickspring på YouTube for inspirasjon mens du legger hullet.

Trinn 6: Bearbeiding av sidebryteren

Filene som ble brukt i dette trinnet ble inkludert i zip -filen tilbake i maskinoppsettet.

Sidebryteren er maskinert veldig lik MechWatch -saken. Den freses med en 1/8 "endefres med de samme innstillingene som saken. Bruk deretter en 1/8" kulemølle på de buede overflatene, samme innstillinger som før.

Det andre oppsettet er sett på bilder 3-4 før og etter maskinering. 1/8 "endefres, 1/8" kulemølle, 1/32 "endefres og deretter M1.6 gjengemølle. (Det er et gjenget hull for å holde den til bryteren på brettet).

Jeg maskinerer bryteren fra et større stykke aluminium av to grunner. Den første grunnen er at jeg kan klemme sidene og ikke ved et uhell frese stykket som holder det. Den andre er så når jeg plasserer den i sporet for den tredje operasjonen, kan den fortsatt klemmes fast (se bilde 5).

Trinn 7: Bearbeide saken tilbake

Klokkebunnen er laget av akryl, den må være ikke-metallisk på grunn av den induktive ladningen. Jeg bruker noen avskjæringer i aluminium for å plassere den fra kanten (hver 12,7 mm tykk) og dobbeltsidig tape for å holde den på plass.

Fordi plasten er mye lettere å bearbeide enn aluminium, er det mulig å være mer aggressiv med CNC -innstillingene. Fra og med en 1/8 "endefres er innstillingene 16500 o/min, 600 mm/min skjærehastighet, 1,5 mm kappedybde og 1 mm kappbredde. For å kutte de fine detaljene, bruk en 1/32" endefres med samme innstillinger, men 0,25 mm skjæredybde og 0,3 mm bredde.

Etter å ha snudd en tannpirker fra en tømmerstokk (jeg burde bruke tynnere lager, men dette er det jeg har) har jeg klokken tilbake ferdig. Den har elektromagnetformen kuttet i den for å holde klokken tynn.

For å fjerne den fra sengen satte jeg en unbrakonøkkel i t-sporet og lirket forsiktig opp og flyttet til neste punkt når den begynner å løsne.

Det siste trinnet er å ta et bor og forsiktig forsinke hullene på undersiden. Jeg gjør dette ved å snu boret for hånd. Jeg synes det er lettere å holde sentrert og under kontroll.

Filene som ble brukt i dette trinnet, ble igjen inkludert i zip -filen i maskinoppsettet.

Trinn 8: Se montering

Dette er det mest givende trinnet, å ta alle delene og montere dem i den siste klokken. Alle de arrangerte delene (minus 24 mm brede urbånd og 24 mm lange 1,5 mm diameter hurtigfrigjøringsfjærstenger) er sett på bilde 1.

Den første delen er vanskelig siden o-ringene med 40 mm diameter jeg bestilte faktisk er nærmere 37 mm, så de må tøyes ut og installeres raskt. Bruk enden av en unbrakonøkkel for å trykke den på plass ved å rulle den langs sporet som vist på bilde 2.

Når O-ringen sitter ordentlig, trykker du krystallet (40 mm diameter 1,5 mm tykkelse) godt inn i urkassen. O-ringen skal holde den på plass mens den er nesten usynlig.

Nå er det på tide å installere elektronikken. Tørk først av innsiden av krystallet med en lofri klut og sett elektronikken i saken, og vær oppmerksom på nøkkelen for å holde retningen rett. PCB -en skal sitte godt fast i etuiet, men hvis den er løs kan den festes med en liten dråpe superlim på nøkkelen for å holde den på plass.

Når elektronikken er inne, passer sidebryteren gjennom hullet og over bryteren montert på kretskortet. En M1.6 settskrue holder de to delene sammen som vist på bilde 4.

Deretter må de lengre kablene på spolen brettes opp og tuckes der de ikke skal gni utsatte elektriske kontakter.

Det nest siste trinnet er å lukke det hele, og feste plasthuset igjen med de 4 M1.6 -skruene. Det er viktig å være oppmerksom på at formen på baksiden er i tråd med spoleformen. Det kan være nødvendig å justere trådplasseringen slik at den passer bedre.

Det siste trinnet er å feste klokkeremet med hurtigfrigjøringsfjærene (bilder 8-9). Avhengig av det valgte båndet, kan det være nødvendig å endre båndet for å fungere med fjærstengene. For det viste haibåndet, bruker jeg trådkuttere til å lage et lite hull for hurtigutløsermekanismen.

Trinn 9: Sluttnotater

Klokken er nå ferdig!

Bare et par notater: Sidebryteren kan til tider bli litt klissete, for å fikse dette kan det være nødvendig å forstørre hullet eller justere bryterens plassering ved å løsne settskruen, holde bryteren nær kroppen og stramme igjen skru.

For å lade klokken laget jeg et tilpasset ladestativ basert på Adafruit Qi -laderen (https://www.adafruit.com/product/2162) sett på det andre bildet, men det er et tema for en annen gang.

Uansett hvilken lader som er valgt, er det viktig å merke seg at det ikke kan være metall mellom spolen og laderen. Fordi bandet jeg valgte er metall, må det gå rundt laderen

Takk for at du leser til slutt, jeg håper du har lært noe. Jeg er glad for å dele MechWatch etter flere måneder.

Førstepremie i urkonkurransen