MechWatch - eine benutzerdefinierte Digitaluhr - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

Die MechWatch ist eine Uhr, die ich entworfen habe, um die Vorteile von Arduino in Bezug auf Flexibilität zu haben, aber ich wollte, dass sie so professionell wie möglich aussieht und sich anfühlt. Zu diesem Zweck verwendet dieses anweisbare ziemlich fortschrittliche SMD-Elektronik (keine freiliegenden Verbindungen zum Löten) und CNC-Fräsgeräte.

Ich beginne damit, wie die Zeit gelesen wird, mit einer Illustration im zweiten Bild. Es gibt zwei LED-Ringe, einer ist der Stundenzeiger und der andere fungiert als Minutenzeiger und zeigt von 1-12 wie auf einem analogen Zifferblatt. Da sich der Minutenzeiger nur in 5-Minuten-Schritten bewegen kann, gibt es 4 separate LEDs, die jede einzelne Minute anzeigen. Als Beispiel zeigt das dritte Bild die Uhr mit 9:41 Uhr.

Die Interaktion mit der Uhr erfolgt über einen Zwei-Wege-Schalter an der Seite, der in Richtung der Laschen gleitet (vorwärts / rückwärts). So stellen Sie die Uhrzeit ein:

1. Drücken und halten Sie den Schalter, bis das Licht ausgeht. Beim Loslassen blinkt die Uhrzeit und der Schalter kann nach oben/unten gedrückt werden, um die Stunde zu ändern

2. Drücken und halten Sie den Schalter erneut, bis die Beleuchtung erlischt, um auf die gleiche Weise zur Einstellung der Minuten zu wechseln

3. Drücken und halten Sie den Schalter, bis das Licht wieder ausgeht, um Zeit zu sparen

4. Wenn Sie beim Einstellen der Uhrzeit zu lange warten, ohne einen Knopf zu drücken, geht die Uhr einfach in den Ruhezustand, ohne Änderungen zu speichern

Dieses anweisbare beschreibt, wie man die komplette Uhr macht und stellt alle benötigten Quelldateien bereit.

Schritt 1: Elektronikdesign

Dieser Schritt umreißt die Besonderheiten der Elektronik. Das erste Bild ist der elektrische Schaltplan, der zeigt, wie alle Teile umrissen sind. Das zweite Bild zeigt, wie die Platine angeordnet ist, oben ist rot und unten blau.

Für alle, die sich für die genaue Stückliste aller Elektronikteile und deren Beschaffung interessieren, habe ich eine Excel-Datei mit Links angehängt, anstatt alle durch die lange Liste scrollen zu lassen.

Ich wollte die Oberseite der Platine mit einer einheitlichen Designästhetik relativ klar halten, also habe ich den Mikrocontroller in die Mitte gelegt und die RTC, den Kristall und die Widerstände darum herum angeordnet. Die LEDs umgeben die Außenseite und sogar die Spuren um die Außenseite spiegeln die kreisförmige Designästhetik wider.

Um die LEDs mit dem Mikrocontroller zu verbinden, können sie in einem Raster angeordnet werden, wobei 12 digitale I/O-Pins erforderlich sind, um sie anzusteuern. Außerdem möchte ich eine Echtzeituhr (RTC) verwenden, um die Zeit zu halten, damit ich den Mikrocontroller in einen Tiefschlaf versetzen kann, um Strom zu sparen. Die RTC verbraucht deutlich weniger Strom als ein Mikrocontroller und ermöglicht bis zu 5 Tage zwischen den Ladevorgängen. Um mit dem Mikrocontroller zu kommunizieren, benötigt die RTC eine I2C-Kommunikation. Ich habe mich für den ATMEGA328P entschieden, weil er diese Anforderungen erfüllt und ich mich bereits damit auskenne (er wird auch in vielen Arduinos verwendet).

Um mit der Uhr zu interagieren, benötigt der Benutzer eine Art Schalter, also habe ich einen Zwei-Wege-Schiebeschalter gefunden, der mithilfe von Federn in die Mitte zurückkehrt. Ein externer Schiebeschalter wird mit einer Stellschraube am elektrischen Schalter befestigt.

Ich beschloss, eine Lithiumbatterie zu verwenden, um alles mit Strom zu versorgen und Qi-Induktionsladung, um sie aufzuladen. Ich wollte vermeiden, zum Aufladen der Uhr irgendwelche Anschlüsse zu verwenden, da sie Öffnungen zum Eindringen von Schmutz und Wasser aufweisen und wahrscheinlich im Laufe der Zeit korrodieren werden, da sie so nah an der Haut sind. Nachdem ich mehr Datenblätter gelesen hatte, als irgendjemand jemals wollen würde, habe ich mich für den BQ51050BRHLT entschieden. Es hat gute Referenzdiagramme und ein eingebautes Lithium-Batterieladegerät (Platz ist knapp).

Da es keine schöne Möglichkeit gab, die Qi-Ladeelektronik oben anzuordnen, musste ich sie mit dem Akku auf die Rückseite des Boards legen. Der Schalter befindet sich auch auf der Rückseite, aber das liegt daran, dass es eine bessere Position ist, um einen externen Schalter anzubringen.

Schritt 2: Elektronikmontage

Ich habe fast alle Elektronikteile im ersten Bild angeordnet. Ich habe einige der Kondensatoren und Widerstände weggelassen, weil sie alle sehr ähnlich aussehen und leicht zu verwechseln oder zu verlieren sind.

Um das Lot auf die Pads zu bekommen, verwende ich eine Lötschablone. Ich habe schnell den Halter im zweiten Bild gemacht, um die Leiterplatten unter der Schablone ausgerichtet zu halten, aber es gibt mehrere einfachere Optionen, die einfachste ist Klebeband.

Das dritte Bild zeigt die Schablone, die über der Platine ausgerichtet ist. Das vierte Bild zeigt das Einstreichen der Lotpaste in die Löcher der Schablone. Es ist wichtig, dass die Schablone nach dem Auftragen des Lots gerade angehoben wird. Dieses Foto zeigt auch, wie ich das provisorisch mache, weil ich noch nie eine Schablone verwendet habe. Beim nächsten Mal würde ich den Rahmen nicht kaufen. Es wäre einfacher gewesen, einfach ein kleineres Blatt ohne Rahmen an einer Kante zu kleben, zu leben und zu lernen.

Jetzt eine mühsame und schwierige Aufgabe; Legen Sie jedes der Teile mit einer Pinzette auf das Brett. Bild 7 zeigt die platzierten Teile und Bild 8 zeigt sie gelötet.

Das Video anstelle des 6. Bildes zeigt den Lötvorgang. Ich verwende eine Heißluft-Lötstation, die auf 450C eingestellt ist, um das Lot zu schmelzen, ohne die Teile zu stören, alternativ ist es möglich, einen Lötofen zu verwenden, um dasselbe zu tun. Verwenden Sie nach dem Löten der Unterseite ein Multimeter, das auf den Durchgangsmodus eingestellt ist, um auf Kurzschlüsse zwischen benachbarten Pins auf dem IC zu prüfen. Wenn ein Kurzschluss gefunden wird, ziehen Sie ihn mit einem Lötkolben vom Chip weg und brechen Sie ihn.

Beim Löten wie diesem ist es wichtig, die Platine einige Minuten lang langsam zu erhitzen, bevor Sie zum Schmelzen gehen. Andernfalls kann der Thermoschock die Teile zerstören. Ich würde vorschlagen, sich detailliertere Anweisungen anzusehen, wenn Sie mit dieser Methode nicht vertraut sind.

Als nächstes ist es notwendig, die Spule an den 2-Draht-Anschluss anzuschließen und über die Ladestation zu halten. Wenn alles gut gelaufen ist, sollte das grüne Ladelicht etwa eine Sekunde lang aufleuchten und dann ausgehen. Wenn eine Batterie angeschlossen ist, sollte die grüne Ladeanzeige leuchten, bis der Ladevorgang abgeschlossen ist.

Nachdem das Aufladen wie erwartet funktioniert, ist es der gleiche Prozess, die Oberseite der Platine zu verlöten. Ein Hinweis für die LEDs in Bild 9, an der Unterseite der LEDs befindet sich eine kleine Markierung, um die Ausrichtung anzuzeigen. Die Seite, zu der die kleine Linie herauskommt, ist das schmale Ende des Dreiecks im LED-Schema. Es ist wichtig, dies für jede verwendete SMD-LED zu überprüfen, da die Markierungen zwischen verschiedenen Herstellern variieren können.

Schritt 3: Elektronikprogrammierung und -test

Verwenden Sie einen AVRISP mkII, um den Mikrocontroller zu programmieren (drücken Sie die Umschalttaste und halten Sie sie gedrückt, während Sie in der Arduino IDE auf Upload klicken). Es ist auch möglich, damit den Bootloader ganz normal zu brennen und die serielle Verbindung auf der Rückseite der Uhr mit einem FTDI-Kabel zu verwenden. Aber durch Umgehen des Bootloaders und Programmierung direkt mit dem AVR ISP mkII startet der Code beim Einschalten schneller.

Ich habe den Code auch an diesen Schritt angehängt. Wenn jemand genauer hinschauen möchte, habe ich den Code kommentiert, um zu erklären, was die einzelnen Teile tun. Die allgemeine Struktur des Codes ist eine Zustandsmaschine. Jeder Zustand hat einen Code, der ausgeführt wird, sowie Bedingungen, um in einen anderen Zustand zu wechseln.

Ein Großteil des Codes, der die I/O-Pins steuert, steuert direkt die Register, er ist etwas schwieriger zu lesen, kann aber bis zu 10x schneller ausgeführt werden als digital. Write oder Read.

Schritt 4: Bearbeitungseinrichtung

Der Bearbeitungsaufbau für das Uhrengehäuse ist ziemlich komplex und erfordert eine gute Vorbereitung.

Die Mühle, die ich verwende, ist eine Othermill v2 (jetzt Bantam Tools genannt) mit einem Zehenklemmensatz. Mit den Klemmen kann ich das Werkstück von den Seiten halten, das ich für die erste Einrichtung verwende.

Die Uhrenbearbeitung erfolgt in drei Aufspannungen. Beim ersten Setup wird nur das Ausgangsmaterial auf das CNC-Bett gespannt und die Fräse schneidet die Innenform der Uhr aus und entfernt etwas von der Oberfläche. Das Setup der Bearbeitungssoftware ist im 6. Bild zu sehen.

Das zweite Setup erfordert eine benutzerdefinierte Halterung, um das Uhrengehäuse von innen zu halten, sodass es möglich ist, die gesamte obere Außenform der Uhr zu schneiden. Die benutzerdefinierte Halterung ist im ersten Bild zu sehen, eine Explosionsansicht im zweiten Bild. Das kleine Mittelstück hat ein Gewindeloch, so dass beim Anziehen einer Schraube das Stück angehoben und die beiden Seitenteile in das Uhrengehäuse gedrückt werden, um es in Position zu halten. Die Bearbeitungssoftware für die zweite Aufspannung ist in Bild 7 zu sehen.

Das dritte Setup erfordert eine weitere benutzerdefinierte Halterung, um die Uhr zu halten; dieser ist etwas einfacher. Die Halterung besteht aus einer Basis und einem Teil, das in die Uhr passt. Das Stück im Inneren der Uhr ist mit zwei Pfosten an der Basis und Schrauben ausgerichtet, um das Uhrengehäuse auf dem Kopf zu halten.

Ich bearbeitete die Befestigungsteile aus größeren Aluminiumstücken und ließ sie durch Laschen verbunden. Nachdem beide Seiten bearbeitet sind, schneide ich die Laschen mit einer Dekupiersäge und schleife sie glatt.

Ich habe die fusion360-CAD-Dateien eingefügt, mit denen ich alle Teile hergestellt habe (einschließlich des Uhrengehäuses und des Seitenschalters), aber verwenden Sie Ihr eigenes Urteilsvermögen, wenn Sie versuchen, die Teile herzustellen. Ich bin nicht verantwortlich, wenn etwas schief geht und kaputt geht.

Ein Tipp, um die Vorrichtungen genauer zu machen: Bearbeiten Sie zuerst jedes Teil, das mit der Maschine verbunden ist, und setzen Sie es dann an der endgültigen Stelle ein und bearbeiten Sie es dann auf die endgültigen Abmessungen. Dies stellt sicher, dass sich viele kleine Fehler nicht zusammensetzen und das Uhrengehäuse an der falschen Stelle halten. Dieses Wissen bringt Ihnen ein Haufen Altaluminium.

Schritt 5: Bearbeitung des Gehäuses

Der Ausgangs-Alu-Rohling ist im ersten Bild zu sehen. Ich verwende eine 1-1 / 4 Lochsäge, um die Mitte zu entfernen, das spart einiges an Bearbeitungszeit.

Wie im vorherigen Schritt erwähnt, gibt es 3 Setups für die Bearbeitung des Gehäuses. Das erste Setup nach der Bearbeitung ist in Bild 2 zu sehen. Ich verwende zuerst 1 1/8 "Schaftfräser (flach unten), um das meiste Material zu entfernen. Ich wechsle dann zu einem 1/32" Schaftfräser, um die 4 Schraube zu schneiden Löcher. Zum Schneiden der Gewinde in den Schraubenlöchern verwende ich dann einen M1.6 Gewindefräser (von Harvey Tools). Die spezifischen Einstellungen, die ich verwende, sind in der Fusion360-CAD-Datei enthalten.

Bild 3 zeigt die zweite Aufspannung mit fertiger Bearbeitung und das 4. Bild zeigt die dritte Aufspannung vor der Bearbeitung.

Das zweite Setup wird mit einem 1/8"-Schaftfräser bearbeitet, um das meiste Material schnell zu entfernen, dann verwende ich einen 1/8"-Kugelfräser (rundes Ende), um die gekrümmten Oberflächen zu schneiden. Die Vorgänge sind auch für das dritte Setup gleich.

Die zweite Einrichtung erfordert die Verwendung eines weiteren Spezialwerkzeugs, einer 3/4 -Schlitzsäge mit modifizierter Welle, damit sie eng in den Uhrengehäusehalter passt. Die Schlitzsäge dreht sich mit 16500 U/min und bewegt sich mit 30 mm/min. Diese Geschwindigkeit schiebt das, wozu die Othermill in der Lage ist, daher kann es erforderlich sein, sie noch weiter zu verlangsamen. Dieser Schritt wird im obigen Video gezeigt.

Wenn Sie mehr über die Besonderheiten der CNC-Bearbeitung erfahren möchten, werde ich Sie auf YouTube auf NYC CNC hinweisen. Sie leisten hier einen besseren Job, als ich es jemals könnte.

Nur als Referenz für diejenigen, die wissen, was es bedeutet, die Einstellungen, die beim othermill v2 für den 1/8 -Schaftfräser verwendet werden, sind 16400 U/min (163,5 m/min), 300 mm/min, 1 mm Schnitttiefe und 1,3 mm Breite von schneiden.

Da die andere Mühle nicht genug Z-Höhe hat, um die Uhr auf der Seite zu halten, muss ich die Löcher für das Uhrenarmband und das Loch für den Seitenschalter manuell bohren. Um sie auf den unregelmäßig geformten Seiten der Uhr zu finden, habe ich einige Anleitungen in 3D gedruckt, die in den Bildern 5-7 zu sehen sind. Um die Bohrgenauigkeit zu erhöhen, ist es wichtig, den Bohrer so weit wie möglich in das Bohrfutter zu bringen; dies erschwert es dem Gebiss, zu wandern.

Das seitliche Schalterloch hat eine nicht kreisförmige Form, so dass es nach dem Beginn mit dem Bohrer verfeinert werden muss, was mit Schweizer Feilen erfolgt. Mit Bremssätteln messe ich das aktuelle Loch und feile es auf das richtige Maß. Das Loch sollte 4,6 mm von der Oberseite, 3,8 mm von der Unterseite und 25,8 mm vom äußersten Punkt jeder Öse entfernt sein. Ich schlage vor, Clickspring auf YouTube anzuschauen, um sich beim Feilen des Lochs inspirieren zu lassen.

Schritt 6: Bearbeitung des Seitenschalters

Die in diesem Schritt verwendeten Dateien wurden in die ZIP-Datei zurück in das Bearbeitungssetup aufgenommen.

Der Seitenschalter ist dem MechWatch-Gehäuse sehr ähnlich. Es wird mit einem 1/8"-Schaftfräser mit den gleichen Einstellungen wie das Gehäuse gefräst. Als nächstes verwenden Sie einen 1/8"-Kugelfräser auf den gekrümmten Oberflächen, die gleichen Einstellungen wie zuvor.

Der zweite Aufbau ist in den Bildern 3-4 vor und nach der Bearbeitung zu sehen. 1/8" Schaftfräser, 1/8" Kugelfräser, 1/32" Schaftfräser, dann M1.6 Gewindefräser. (Es gibt ein Gewindeloch, um es am Schalter auf der Platine zu halten).

Ich bearbeite den Schalter aus zwei Gründen aus einem größeren Stück Aluminium. Der erste Grund ist, dass ich die Seiten festklemmen und nicht versehentlich das Stück fräsen kann, das es hält. Das zweite ist so, wenn ich es für die dritte Operation in den Schlitz lege, kann es noch geklemmt werden (siehe Bild 5).

Schritt 7: Bearbeitung des Gehäusebodens

Der Uhrenboden besteht aus Acryl, er muss aufgrund der induktiven Aufladung metallfrei sein. Ich verwende einige Aluminium-Abschnitte, um es von der Kante zu beabstanden (jeweils 12,7 mm dick) und doppelseitiges Klebeband, um es an Ort und Stelle zu halten.

Da Kunststoff viel einfacher zu bearbeiten ist als Aluminium, ist es möglich, mit den CNC-Einstellungen aggressiver vorzugehen. Beginnend mit einem 1/8" Schaftfräser sind die Einstellungen 16500 U/min, 600 mm/min Schnittgeschwindigkeit, 1,5 mm Schnitttiefe und 1 mm Schnittbreite. Um die feinen Details zu schneiden, verwenden Sie einen 1/32" Schaftfräser mit der gleiche Einstellungen aber 0,25 mm Schnitttiefe und 0,3 mm Schnittbreite.

Nachdem ich einen Zahnstocher aus einem Baumstamm gedreht habe (ich sollte dünneren Vorrat verwenden, aber das habe ich) habe ich die Uhr wieder fertig. Es hat die Form des Elektromagneten eingeschnitten, um die Uhr dünn zu halten.

Um es vom Bett zu entfernen, stecke ich einen Inbusschlüssel in den T-Schlitz und heble vorsichtig hoch, um zum nächsten Punkt zu gehen, wenn er sich zu lösen beginnt.

Der letzte Schritt ist, einen Bohrer zu nehmen und die Löcher auf der Unterseite vorsichtig zu versenken. Ich mache dies, indem ich den Bohrer von Hand drehe. Ich finde es einfacher, zentriert und unter Kontrolle zu bleiben.

Auch hier wurden die in diesem Schritt verwendeten Dateien wieder in die ZIP-Datei im Bearbeitungs-Setup aufgenommen.

Schritt 8: Montage beobachten

Dies ist der lohnendste Schritt, alle Teile zu nehmen und sie zur endgültigen Uhr zusammenzubauen. Alle angeordneten Teile (abzüglich des 24 mm breiten Uhrenarmbands und der 24 mm langen Schnellspanner mit 1,5 mm Durchmesser) sind in Bild 1 zu sehen.

Der erste Teil ist schwierig, da die von mir bestellten O-Ringe mit einem Durchmesser von 40 mm tatsächlich näher an 37 mm liegen, sodass sie schnell gestreckt und installiert werden müssen. Verwenden Sie das Ende eines Kugel-Inbusschlüssels, um ihn in Position zu drücken, indem Sie ihn entlang der Nut rollen, wie in Bild 2 gezeigt.

Wenn der O-Ring richtig sitzt, drücken Sie das Glas (40 mm Durchmesser 1,5 mm Dicke) fest in das Uhrengehäuse. Der O-Ring sollte ihn an Ort und Stelle halten, während er fast unsichtbar ist.

Jetzt ist es Zeit, die Elektronik zu installieren. Wischen Sie zuerst die Innenseite des Kristalls mit einem fusselfreien Tuch ab und setzen Sie die Elektronik in das Gehäuse ein. Achten Sie dabei auf den Schlüssel, um die Ausrichtung gerade zu halten. Die Platine sollte fest im Gehäuse sitzen, aber wenn sie locker ist, kann sie mit einem kleinen Tropfen Sekundenkleber auf dem Schlüssel befestigt werden, um sie an Ort und Stelle zu halten.

Sobald die Elektronik eingebaut ist, passt der Seitenschalter durch das Loch und über den auf der Platine montierten Schalter. Eine M1.6 Stellschraube hält die beiden Teile zusammen, wie in Bild 4 zu sehen ist.

Als nächstes müssen die längeren Kabel an der Spule gefaltet und dort verstaut werden, wo sie keine freiliegenden elektrischen Kontakte reiben.

Der vorletzte Schritt besteht darin, alles zu schließen und den Kunststoffgehäuseboden mit den 4 M1.6-Schrauben zu befestigen. Es ist wichtig darauf zu achten, dass die Form im Rücken mit der Spulenform übereinstimmt. Es kann notwendig sein, die Kabelplatzierung zu optimieren, damit sie besser passt.

Der letzte Schritt besteht darin, das Uhrenarmband mit den Schnellspann-Federstegen zu befestigen (Bilder 8-9). Je nach gewähltem Band kann es notwendig sein, das Band zu modifizieren, um mit den Federstegen zu arbeiten. Für das gezeigte Haifisch-Mesh-Band verwende ich Drahtschneider, um ein kleines Loch zu schaffen, um den Schnellspannmechanismus aufzunehmen.

Schritt 9: Abschließende Hinweise

Die Uhr ist nun fertig!

Nur ein paar Anmerkungen: Der Seitenschalter kann manchmal etwas klebrig werden, um dies zu beheben, kann es notwendig sein, das Loch zu vergrößern oder die Schalterposition anzupassen, indem Sie die Stellschraube lösen, den Schalter nah an das Gehäuse halten und wieder festziehen Schrauben.

Um die Uhr aufzuladen, habe ich einen benutzerdefinierten Ladeständer basierend auf dem im zweiten Bild zu sehenden Adafruit Qi-Ladegerät (https://www.adafruit.com/product/2162) erstellt, aber das ist ein Thema für ein anderes Mal.

Welches Ladegerät auch immer gewählt wird, es ist wichtig zu beachten, dass sich kein Metall zwischen Spule und Ladegerät befinden darf. Da die von mir gewählte Band Metal ist, muss sie um das Ladegerät herumgehen

Danke, dass du bis zum Ende gelesen hast, ich hoffe, du hast etwas gelernt. Ich freue mich, die MechWatch nach Monaten der Entwicklung zu teilen.

Erster Preis beim Uhrenwettbewerb