MechWatch - en anpassad digital klocka: 9 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

MechWatch är en klocka som jag konstruerade för att ha fördelarna med Arduino när det gäller flexibilitet, men jag ville att den skulle se ut och kännas så professionellt som jag kunde. För detta ändamål använder denna instruerbara ganska avancerad ytmonterad elektronik (inga exponerade anslutningar till löd) och CNC -fräsutrustning.

Jag börjar med hur tiden läses, med en illustration i den andra bilden. Det finns två LED-ringar, en är timvisaren och den andra fungerar som en minutvisare och pekar från 1-12 som på en analog urtavla. Eftersom minutvisaren bara kan röra sig i steg om 5 minuter finns det fyra separata lysdioder för att visa några minuter. Som ett exempel visar den tredje bilden klockan som visar 9:41.

Klockinteraktionen görs genom en tvåvägsbrytare på sidan som glider mot klackarna (framåt/bakåt). Så här ställer du in tiden:

1. tryck och håll knappen intryckt tills lamporna släcks. När den släpps blinkar tiden och omkopplaren kan tryckas upp/ner för att ändra timmen

2. Håll knappen intryckt igen tills lamporna släcks för att ställa in minuter på samma sätt

3. Håll knappen intryckt tills lamporna släcks igen för att spara tid

4. Om du väntar för länge medan du ställer in tiden utan att trycka på en knapp kommer vilan bara att somna utan att spara några ändringar

Denna instruktioner beskriver hur man gör hela klockan och innehåller alla källfiler som behövs.

Steg 1: Elektronikdesign

Detta steg beskriver elektronikens särdrag. Den första bilden är det elektriska schemat som visar hur alla delar är skisserade. Den andra bilden visar hur tavlan är ordnad, toppen är röd och botten är blå.

För alla som är intresserade av den exakta materialförteckningen för alla elektronikdelar samt var jag köper dem, har jag bifogat en excel -fil med länkar, snarare än att alla ska bläddra efter den långa listan.

Jag ville hålla kretskortets ovansida relativt tydlig med en konsekvent designestetik, så jag satte mikrokontrollern i mitten och placerade RTC, kristall och motstånd runt den. Lysdioderna omger utsidan och även spåren runt utsidan speglar den cirkulära designestetiken.

För att ansluta lysdioderna till mikrokontrollen kan de placeras i ett rutnät, vilket kräver 12 digitala I/O -stift för att driva dem. Jag vill också använda en realtidsklocka (RTC) för att hålla tiden så att jag kan sätta in mikrokontrollern i en djup sömn för att spara ström. RTC använder betydligt mindre ström än en mikrokontroller, vilket ger upp till 5 dagar mellan laddningarna. För att kommunicera med mikrokontrollern kräver RTC I2C -kommunikation. Jag valde ATMEGA328P eftersom den uppfyller dessa krav och jag är redan bekant med att använda den (den används också i många Arduinos).

För att interagera med klockan behöver användaren någon slags omkopplare, så jag hittade en tvåvägs glidbrytare som återvänder till mitten med hjälp av fjädrar. En extern glidströmbrytare fästs på den elektriska omkopplaren med en inställningsskruv.

Jag bestämde mig för att använda ett litiumbatteri för att driva allt och Qi induktiv laddning för att ladda det. Jag ville undvika att använda någon form av kontakter för att ladda upp klockan eftersom de har öppningar för att släppa in smuts och vatten och troligen kommer att korrodera med tiden, så nära huden. Efter att ha läst mer datablad än någon någonsin skulle vilja bestämde jag mig för BQ51050BRHLT. Den har bra referensdiagram och en inbyggd litiumbatteriladdare (utrymme är till en premie).

Eftersom det inte fanns något trevligt sätt att ordna Qi -laddningselektroniken på toppen, var jag tvungen att lägga den på baksidan av kortet med batteriet. Brytaren är också placerad på baksidan, men det beror på att det är en bättre plats att ansluta en extern strömbrytare.

Steg 2: Elektronikmontering

Jag har ordnat nästan alla elektronikbitar i den första bilden. Jag utelämnade flera av kondensatorerna och motstånden, eftersom de alla ser väldigt lika ut och är lätta att blanda ihop eller förlora.

För att få lödet på dynorna använder jag en lödstencil. Jag gjorde snabbt hållaren på den andra bilden för att hålla kretskorten inriktade under schablonen, men det finns flera enklare alternativ, det enklaste är tejp.

Den tredje bilden visar schablonen inriktad över brädet. Den fjärde bilden visar smetning av lödpastan i stencilshålen. Det är viktigt att schablonen lyfts rakt upp efter applicering av löd. Det här fotot avslöjar också det provisoriska sättet jag gör detta eftersom jag aldrig har använt en stencil tidigare. Nästa gång skulle jag inte köpa ramen. Det hade varit lättare att bara tejpa ett mindre ark längs ena kanten utan ramen, leva och lära sig.

Nu en tråkig och svår uppgift; placera var och en av delarna på brädet med en pincett. Bild 7 visar de placerade delarna och bild 8 visar dem lödda.

Videon i stället för den sjätte bilden visar lödningsprocessen. Jag använder en varmluftslödningsstation inställd på 450C för att smälta lödet utan att störa delarna, alternativt är det möjligt att använda en lödugn för att göra samma sak. Efter lödning av botten använder du en multimeter inställd på kontinuitetsläge för att leta efter kortslutningar mellan intilliggande stift på IC. När en kort har hittats, använd ett lödkolv för att dra bort det från chipet och bryta det.

Vid lödning så här är det viktigt att långsamt värma brädan i ett par minuter innan du går in för smältan. Annars kan termisk chock förstöra delarna. Jag föreslår att du tittar på mer detaljerade instruktioner om du inte känner till den här metoden.

Därefter är det nödvändigt att ansluta spolen till 2 -trådskontakten och hålla den över laddningsbasen. Om allt gick bra ska den gröna laddningslampan tändas i ungefär en sekund och sedan släckas. Om ett batteri är anslutet ska den gröna laddningslampan lysa tills den är laddad.

Efter att laddningen fungerar som förväntat är det samma process att löda ovansidan av brädet. En anmärkning för lysdioderna i bild 9, det finns en liten markering på undersidan av lysdioderna för att visa orienteringen. Den sida den lilla linjen kommer ut mot är den smala änden av triangeln i LED -schemat. Det är viktigt att kontrollera detta för varje ytmonterad LED du använder eftersom markeringarna kan variera mellan olika tillverkare.

Steg 3: Elektronikprogrammering och testning

Använd en AVRISP mkII för att programmera mikrokontrollern (tryck och håll ned shift medan du klickar på uppladdning i Arduino IDE). Det är också möjligt att använda den för att bara bränna startladdaren som vanligt och använda den seriella anslutningen på klockans baksida med en FTDI -kabel. Men genom att kringgå startladdaren och programmera direkt med AVR ISP mkII startar koden snabbare vid uppstart.

Jag har också bifogat koden till detta steg. Om någon skulle vilja se mer ingående har jag kommenterat koden för att förklara vad varje del gör. Kodens allmänna struktur är en tillståndsmaskin. Varje stat har en kodbit som den kör samt villkor för att flytta till ett annat tillstånd.

Mycket av koden som styr I/O -stiften styr direkt registren, det är lite svårare att läsa men det kan vara upp till 10x snabbare vid körning än digital. Write eller Read.

Steg 4: Bearbetningsinställningar

Bearbetningsinställningarna för klockfodralet är ganska komplexa och tar en hel del förberedelser.

Kvarnen jag använder är en Othermill v2 (nu kallad Bantam Tools) med en klämkit. Klämmorna låter mig hålla arbetsstycket från sidorna, som jag använder för den första installationen.

Klockbearbetningen görs i tre inställningar. Den första installationen har precis startmaterialet fastspänt på CNC -sängen och kvarnen skär ut klockans inre form och tar bort lite av ytan. Bearbetningsprogrammets inställning kan ses på den 6: e bilden.

Den andra installationen kräver en anpassad armatur för att hålla klockväskan inifrån, så det är möjligt att klippa hela den yttre yttre formen på klockan. Den anpassade armaturen kan ses på den första bilden med en sprängskiss i den andra bilden. Det lilla mittstycket har ett knackat hål, så när en skruv dras åt lyfter den biten och tvingar in de två sidostyckena i klockhuset och håller den på plats. Bearbetningsprogramvaran för den andra installationen syns på bild 7.

Den tredje installationen kräver en annan anpassad armatur för att hålla klockan; den här är lite enklare. Armaturen består av en bas och en bit som går inuti klockan. Biten inuti klockan registreras med två stolpar på basen och skruvar på plats för att hålla klockhuset upp och ner.

Jag bearbetade fixturbitarna från större bitar aluminium och lämnade dem anslutna med flikar. Efter att båda sidorna har bearbetats skär jag flikarna med en rullremsa och slipar dem slätt.

Jag har inkluderat fusion360 CAD -filer som jag använde för att göra alla delar (inklusive klockfodral och sidoknapp), men använd ditt eget omdöme om du försöker göra delarna. Jag är inte ansvarig om något går fel och går sönder.

En ledtråd för att göra armaturerna mer exakta: bearbeta alla delar som gränsar mot maskinen först och lägg den sedan på den sista platsen och bearbeta den sedan till slutliga dimensioner. Detta säkerställer att många små fel inte är sammansatta och håller klockfodralet på fel plats. Denna kunskap fördes till dig av en hög med skrotaluminium.

Steg 5: Bearbeta fodralet

Det ursprungliga aluminiumämnet kan ses på den första bilden. Jag använder en 1-1/4 hålsåg för att ta bort mitten, detta sparar en hel del bearbetningstid.

Som nämnts i föregående steg finns det tre inställningar för att bearbeta fodralet. Den första installationen efter bearbetning ses på bild 2. Jag använder först 1 1/8 "ändfräs (platt på botten) för att ta bort det mesta av materialet. Jag byter sedan till en 1/32" ändfräs för att klippa av de 4 skruvarna hål. För att klippa av gängorna i skruvhålen använder jag sedan en M1.6 -trådkvarn (från Harvey -verktyg). De specifika inställningarna jag använder finns i Fusion360 CAD -filen.

Bild 3 visar den andra installationen med bearbetningen klar och den fjärde bilden visar den tredje installationen före bearbetningen.

Den andra installationen bearbetas med en 1/8 "ändkvarn för att snabbt ta bort det mesta av materialet, sedan använder jag en 1/8" kulkvarn (rund ände) för att skära de krökta ytorna. Operationerna är desamma för den tredje installationen också.

Den andra installationen kräver användning av ett annat specialiserat verktyg, en 3/4 klyvsåg med en modifierad borr så att den passar tätt ihop med klockfodralets hållare. Klyvsågen snurrar med 16500 varv/min och rör sig med 30 mm/min. Denna hastighet driver vad Othermill kan, så det kan vara nödvändigt att sakta ner det ännu mer. Det här steget visas i videon ovan.

Om du vill lära dig mer om detaljerna om CNC -bearbetning kommer jag att peka dig på NYC CNC på YouTube, De gör ett bättre jobb än jag någonsin kunde här.

Bara för referens för dem som vet vad det betyder, inställningarna som används på den andra kvarnen v2 för 1/8 ändfräsen är 16400 varv/min (163,5 m/min), 300 mm/min, 1 mm skärdjup och 1,3 mm bredd på skära.

Eftersom den andra kvarnen inte har tillräckligt med z -höjd för att hålla klockan på sidan, måste jag manuellt borra hålen för klockbandet och hålet för sidokontakten. För att hjälpa dem att hitta dem på de oregelbundet formade sidorna av klockan har jag 3D-skrivit ut några guider, sett på bilderna 5-7. För att hjälpa till med borrnoggrannheten är det viktigt att få borrkronan så långt som möjligt i chucken; detta gör det svårare för biten att vandra.

Sidokopplingshålet är en icke-cirkulär form så det behöver förfinas efter att ha börjat med borren, vilket görs med schweiziska filer. Med mätare mäter jag det aktuella hålet och arkiverar det till rätt dimension. Hålet ska vara 4,6 mm från den övre ytan, 3,8 mm från den nedre ytan och 25,8 mm från den längsta punkten på varje flik. Jag föreslår att du tittar på Clickspring på YouTube för inspiration medan du fyller hålet.

Steg 6: Bearbetning av sidokontakten

Filerna som användes i detta steg inkluderades i zip -filen tillbaka i bearbetningsinställningarna.

Sidokontakten är bearbetad mycket lik MechWatch -fodralet. Den fräsas med en 1/8 "ändkvarn med samma inställningar som fallet. Använd sedan en 1/8" kulkvarn på de böjda ytorna, samma inställningar som tidigare.

Den andra installationen syns på bilderna 3-4 före och efter bearbetning. 1/8 "ändkvarn, 1/8" kulkvarn, 1/32 "ändkvarn och sedan M1.6 trådkvarn. (Det finns ett gängat hål för att hålla det vid strömställaren på brädet).

Jag bearbetar omkopplaren från en större bit aluminium av två skäl. Den första anledningen är så att jag kan klämma fast sidorna och inte av misstag fräsa biten som håller den. Den andra är så när jag placerar den i spåret för den tredje operationen kan den fortfarande klämmas fast (se bild 5).

Steg 7: Bearbeta fodralet tillbaka

Klockbotten är gjord av akryl, den måste vara icke-metallisk på grund av den induktiva laddningen. Jag använder några aluminiumskärningar för att placera det från kanten (var 12,7 mm tjock) och dubbelsidig tejp för att hålla det på plats.

Eftersom plasten är mycket lättare att bearbeta än aluminium är det möjligt att vara mer aggressiv med CNC -inställningarna. Börjar med en 1/8 "slutkvarn inställningarna är 16500 varv/min, 600 mm/min skärhastighet, 1,5 mm skärdjup och 1 mm skärbredd. För att skära de fina detaljerna använder du en 1/32" ändfräs med samma inställningar men 0,25 mm skärdjup och 0,3 mm klippbredd.

Efter att ha vänt en tandpetare från en stock (jag borde använda tunnare lager, men det här är vad jag har) har jag klockan klar igen. Den har elektromagnetformen skuren i den för att hålla klockan tunn.

För att ta bort den från sängen lade jag in en insexnyckel i t-spåret och försiktigt bända upp och flytta till nästa punkt när den börjar lossna.

Det sista steget är att ta en borr och försiktigt försänka hålen på undersidan. Jag gör detta genom att vrida borren för hand. Jag tycker att det är lättare att hålla centrerad och under kontroll.

Återigen inkluderades filerna som användes i detta steg i zip -filen tillbaka i bearbetningsinställningarna.

Steg 8: Titta på montering

Detta är det mest givande steget, att ta alla delar och montera dem i den sista klockan. Alla de arrangerade delarna (minus 24 mm breda klockarmbandet och 24 mm långa 1,5 mm diameter snabbkopplingsfjäderstänger) ses på bild 1.

Den första delen är knepig eftersom o-ringarna med 40 mm diameter jag beställde faktiskt är närmare 37 mm, så de måste sträckas ut och installeras snabbt. Använd änden på en insexnyckel för att trycka den på plats genom att rulla den längs spåret enligt bild 2.

När O-ringen sitter ordentligt trycker du fast kristallen (40 mm diameter 1,5 mm tjocklek) i klockfodralet. O-ringen ska hålla den på plats medan den är nästan osynlig.

Nu är det dags att installera elektroniken. Torka först insidan av kristallen med en luddfri trasa och placera elektroniken i fodralet, var uppmärksam på nyckeln för att hålla orienteringen rak. Kretskortet ska sitta stadigt i fodralet, men om det är löst kan det säkras med en liten droppe superlim på nyckeln för att hålla det på plats.

När elektroniken väl är in passar sidokontakten genom hålet och över omkopplaren som är monterad på kretskortet. En M1.6 -inställningsskruv håller ihop de två bitarna som visas på bild 4.

Därefter måste de längre kablarna på spolen vikas upp och stoppas där de inte skaver några exponerade elektriska kontakter.

Det näst sista steget är att stänga allt och fästa plasthöljet med de 4 M1.6 -skruvarna. Det är viktigt att vara uppmärksam på att formen i ryggen stämmer överens med spolens form. Det kan vara nödvändigt att justera trådplaceringen så att den passar bättre.

Det sista steget är att fästa klockbandet med hjälp av fjäderstängerna för snabbkoppling (bilder 8-9). Beroende på vilket band som valts kan det vara nödvändigt att modifiera bandet för att fungera med fjäderstängerna. För det visade hajnätbandet använder jag trådskärare för att skapa ett litet hål för snabbkopplingsmekanismen.

Steg 9: Slutanteckningar

Klockan är nu klar!

Bara några anmärkningar: sidokontakten kan ibland bli lite kladdig, för att åtgärda det kan det vara nödvändigt att förstora hålet eller justera omkopplarens plats genom att lossa inställningsskruven, hålla omkopplaren nära kroppen och dra åt igen skruva.

För att ladda klockan gjorde jag ett anpassat laddningsställ baserat på Adafruit Qi -laddaren (https://www.adafruit.com/product/2162) som ses på den andra bilden, men det är ett ämne för en annan gång.

Oavsett vilken laddare som väljs är det viktigt att notera att ingen metall kan vara mellan spolen och laddaren. Eftersom bandet jag valde är metall måste det gå runt laddaren

Tack för att du läste till slutet, jag hoppas att du har lärt dig något. Jag delar gärna MechWatch efter flera månader.

Första pris i klocktävlingen