MechWatch - een aangepast digitaal horloge - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

De MechWatch is een horloge dat ik heb ontworpen om de voordelen van Arduino te hebben op het gebied van flexibiliteit, maar ik wilde dat het er zo professioneel mogelijk uit zou zien en aanvoelen. Daartoe maakt deze instructable gebruik van redelijk geavanceerde elektronica voor oppervlaktemontage (geen blootgestelde verbindingen met soldeer) en CNC-freesapparatuur.

Ik zal beginnen met hoe de tijd wordt afgelezen, met een illustratie in de tweede foto. Er zijn twee LED-ringen, de ene is de uurwijzer en de andere fungeert als een minutenwijzer, wijzend van 1-12 zoals op een analoge wijzerplaat. Omdat de minutenwijzer slechts in stappen van 5 minuten kan bewegen, zijn er 4 afzonderlijke LED's om elke minuut weer te geven. Als voorbeeld toont de derde foto het horloge met 9:41.

De interactie van het horloge gebeurt via een tweerichtingsschakelaar aan de zijkant die naar de nokken schuift (vooruit/achteruit). Om de tijd in te stellen:

1. houd de schakelaar ingedrukt totdat de lichten uitgaan. Wanneer het wordt losgelaten, knippert de tijd en kan de schakelaar omhoog/omlaag worden geduwd om het uur te wijzigen

2. Houd de schakelaar opnieuw ingedrukt totdat de lichten uitgaan om op dezelfde manier over te schakelen naar het instellen van de minuten

3. Houd de schakelaar ingedrukt totdat de lichten weer uitgaan om tijd te besparen

4. Als u te lang wacht terwijl u de tijd instelt zonder op een knop te drukken, gaat het horloge gewoon slapen zonder wijzigingen op te slaan

Dit instructable schetst hoe u het volledige horloge kunt maken en biedt alle benodigde bronbestanden.

Stap 1: Elektronisch ontwerp

Deze stap schetst de details van de elektronica. De eerste afbeelding is het elektrische schema, dat laat zien hoe alle onderdelen zijn geschetst. De tweede afbeelding laat zien hoe het bord is gerangschikt, de bovenkant is rood en de onderkant is blauw.

Voor iedereen die geïnteresseerd is in de exacte stuklijst van alle elektronica-onderdelen en waar ik ze koop, heb ik een Excel-bestand met links bijgevoegd, in plaats van iedereen door de lange lijst te laten scrollen.

Ik wilde de bovenkant van de printplaat relatief helder houden met een consistente ontwerpesthetiek, dus plaatste ik de microcontroller in het midden en plaatste de RTC, Crystal en weerstanden eromheen. De LED's omringen de buitenkant en zelfs de sporen rond de buitenkant weerspiegelen de cirkelvormige ontwerpesthetiek.

Om de LED's met de microcontroller te koppelen, kunnen ze in een raster worden gerangschikt, waarvoor 12 digitale I/O-pinnen nodig zijn om ze aan te sturen. Ik wil ook een realtimeklok (RTC) gebruiken om de tijd bij te houden, zodat ik de microcontroller in een diepe slaap kan zetten om energie te besparen. De RTC gebruikt aanzienlijk minder stroom dan een microcontroller, waardoor er tot 5 dagen tussen oplaadbeurten mogelijk is. Om te communiceren met de microcontroller heeft de RTC I2C-communicatie nodig. Ik heb voor de ATMEGA328P gekozen omdat deze aan deze eisen voldoet en ik al bekend ben met het gebruik ervan (het wordt ook in veel Arduino's gebruikt).

Voor interactie met het horloge heeft de gebruiker een soort schakelaar nodig, dus ik vond een tweerichtingsschuifschakelaar die met veren naar het midden terugkeert. Een externe schuifschakelaar wordt met een stelschroef aan de elektrische schakelaar bevestigd.

Ik besloot een lithiumbatterij te gebruiken om alles van stroom te voorzien en Qi inductief opladen om hem op te laden. Ik wilde het gebruik van connectoren om het horloge op te laden vermijden, omdat ze openingen hebben om vuil en water binnen te laten en waarschijnlijk na verloop van tijd zullen corroderen, omdat ze zo dicht bij de huid zitten. Na het lezen van meer datasheets dan iemand ooit zou willen, koos ik voor de BQ51050BRHLT. Het heeft goede referentiediagrammen en een ingebouwde lithiumbatterijlader (ruimte is schaars).

Omdat er geen leuke manier was om de Qi-oplaadelektronica aan de bovenkant te plaatsen, moest ik deze samen met de batterij op de achterkant van het bord plaatsen. De schakelaar bevindt zich ook aan de achterkant, maar dat is omdat het een betere locatie is om een externe schakelaar aan te sluiten.

Stap 2: Elektronica-assemblage

Ik heb bijna alle elektronicastukken op de eerste foto gerangschikt. Ik heb een aantal condensatoren en weerstanden weggelaten, omdat ze allemaal erg op elkaar lijken en gemakkelijk door elkaar kunnen worden gehaald of verloren kunnen gaan.

Om het soldeer op de pads te krijgen, gebruik ik een soldeerstencil. Ik heb snel de houder in de tweede foto gemaakt om de printplaten onder het sjabloon uitgelijnd te houden, maar er zijn verschillende eenvoudigere opties beschikbaar, waarvan de eenvoudigste tape is.

De derde foto toont het stencil uitgelijnd over het bord. De vierde foto toont het uitsmeren van de soldeerpasta in de gaten van het sjabloon. Het is belangrijk dat het sjabloon na het aanbrengen van soldeer recht omhoog wordt getild. Deze foto onthult ook de geïmproviseerde manier waarop ik dit doe, omdat ik nog nooit eerder een stencil heb gebruikt. De volgende keer zou ik het frame niet kopen. Het zou gemakkelijker zijn geweest om gewoon een kleiner vel langs één rand te plakken zonder het frame, leven en leren.

Nu een vervelende en moeilijke taak; plaats elk van de onderdelen op het bord met een pincet. Foto 7 toont de geplaatste onderdelen en foto 8 toont ze gesoldeerd.

De video in plaats van de 6e foto toont het soldeerproces. Ik gebruik een heteluchtsoldeerstation ingesteld op 450C om het soldeer te smelten zonder de onderdelen te verstoren, als alternatief is het mogelijk om hetzelfde te doen met een soldeeroven. Gebruik na het solderen van de onderkant een multimeter die is ingesteld op continuïteitsmodus om te controleren op kortsluiting tussen aangrenzende pinnen op het IC. Wanneer een kortsluiting wordt gevonden, gebruikt u een soldeerbout om deze van de chip weg te slepen en te breken.

Bij het solderen op deze manier is het belangrijk om het bord een paar minuten langzaam te verwarmen voordat je naar binnen gaat voor de smelt. Anders kan de thermische schok de onderdelen vernietigen. Ik raad je aan om naar meer gedetailleerde instructies te kijken als je niet bekend bent met deze methode.

Vervolgens is het noodzakelijk om de spoel aan te sluiten op de 2-draads connector en deze boven het oplaadstation te houden. Als alles goed is gegaan, moet het groene oplaadlampje ongeveer een seconde gaan branden en vervolgens uitgaan. Als er een batterij is aangesloten, moet het groene oplaadlampje blijven branden totdat het opladen is voltooid.

Nadat het opladen werkt zoals verwacht, is het hetzelfde proces om de bovenkant van het bord te solderen. Een opmerking voor de LED's in afbeelding 9, er is een kleine markering aan de onderkant van de LED's om de oriëntatie aan te geven. De kant waar het lijntje naar toe komt, is het smalle uiteinde van de driehoek in het LED-schema. Het is belangrijk om dit te controleren voor elke LED voor opbouwmontage die u gebruikt, omdat de markeringen per fabrikant kunnen verschillen.

Stap 3: Elektronica programmeren en testen

Gebruik een AVRISP mkII om de microcontroller te programmeren (houd shift ingedrukt terwijl u op uploaden klikt in de Arduino IDE). Het is ook mogelijk om het gewoon te gebruiken om de bootloader gewoon te branden en de seriële verbinding op de achterkant van het horloge te gebruiken met een FTDI-kabel. Maar door de bootloader te omzeilen en direct met de AVR ISP mkII te programmeren, start de code sneller bij het opstarten.

Ik heb de code ook aan deze stap toegevoegd. Als iemand meer diepgaand wil kijken, heb ik de code becommentarieerd om uit te leggen wat elk onderdeel doet. De algemene structuur van de code is een toestandsmachine. Elke staat heeft een stukje code dat wordt uitgevoerd, evenals voorwaarden om naar een andere staat te gaan.

Veel van de code die de I/O-pinnen bestuurt, bestuurt rechtstreeks de registers, het is iets moeilijker te lezen, maar het kan tot 10x sneller worden uitgevoerd dan digitaal. Schrijven of lezen.

Stap 4: Bewerkingsinstellingen

De bewerkingsopstelling voor de horlogekast is vrij complex en vergt een goede voorbereiding.

De frees die ik gebruik is een Othermill v2 (nu Bantam Tools genoemd) met een teenklemkit. Met de klemmen kan ik het werkstuk vanaf de zijkanten vasthouden, die ik voor de eerste opstelling gebruik.

De bewerking van het horloge gebeurt in drie opstellingen. De eerste opstelling heeft alleen het uitgangsmateriaal op het CNC-bed geklemd en de molen snijdt de binnenvorm van het horloge uit en verwijdert een beetje van het oppervlak. De setup van de bewerkingssoftware is te zien op de 6e afbeelding.

De tweede opstelling vereist een aangepast armatuur om de horlogekast van binnenuit vast te houden, dus het is mogelijk om de hele buitenvorm van het horloge te snijden. Het aangepaste armatuur is te zien op de eerste foto met een explosietekening op de tweede foto. Het kleine middenstuk heeft een getapt gat, dus wanneer een schroef wordt aangedraaid, tilt het het stuk op en dwingt het de twee zijstukken in de horlogekast, waardoor het op zijn plaats wordt gehouden. De bewerkingssoftware voor de tweede opstelling is te zien in afbeelding 7.

De derde opstelling vereist een ander aangepast armatuur om het horloge vast te houden; deze is iets eenvoudiger. Het armatuur bestaat uit een basis en een stuk dat in het horloge past. Het stuk in het horloge registreert met twee palen op de basis en schroeven op hun plaats om de horlogekast ondersteboven te houden.

Ik machinaal de armatuur stukken uit grotere brokken aluminium en liet ze verbonden door tabs. Nadat beide zijden zijn bewerkt, snij ik de lipjes met een figuurzaagmachine en schuur ze glad.

Ik heb de fusion360 CAD-bestanden toegevoegd die ik heb gebruikt om alle onderdelen te maken (inclusief de horlogekast en zijschakelaar), maar gebruik je eigen oordeel als je de onderdelen probeert te maken. Ik ben niet verantwoordelijk als er iets misgaat en kapot gaat.

Een hint om de armaturen nauwkeuriger te maken: bewerk eerst elk onderdeel dat op de machine aansluit, plaats het dan op de laatste plaats en verspan het vervolgens tot de uiteindelijke afmetingen. Dit zorgt ervoor dat veel kleine fouten niet worden verergerd en de horlogekast op de verkeerde plaats houden. Deze kennis wordt u aangeboden door een stapel aluminium schroot.

Stap 5: Bewerking van de behuizing

De startende aluminium blank is te zien op de eerste foto. Ik gebruik een 1-1/4 gatenzaag om het midden te verwijderen, dit scheelt nogal wat bewerkingstijd.

Zoals vermeld in de vorige stap zijn er 3 opstellingen om de behuizing te bewerken. De eerste opstelling na machinale bewerking is te zien in afbeelding 2. Ik gebruik eerst 1 1/8" vingerfrees (plat op de bodem) om het meeste materiaal te verwijderen. Ik schakel dan over naar een 1/32" vingerfrees om de 4 schroef te snijden gaten. Om de schroefdraad in de schroefgaten te snijden gebruik ik vervolgens een M1.6 draadfrees (van Harvey tools). De specifieke instellingen die ik gebruik, staan in het Fusion360 CAD-bestand.

Afbeelding 3 toont de tweede opstelling met de bewerking voltooid en de 4e afbeelding toont de derde opstelling vóór de bewerking.

De tweede opstelling is machinaal bewerkt met een 1/8" vingerfrees om het meeste materiaal snel te verwijderen, dan gebruik ik een 1/8" kogelfrees (rond uiteinde) om de gebogen oppervlakken te snijden. De bewerkingen zijn ook hetzelfde voor de derde opstelling.

De tweede opstelling vereist het gebruik van een ander gespecialiseerd gereedschap, een 3/4 -spleetzaag met een aangepast doorn zodat deze nauw aansluit op de houder van de horlogekast. De sleuvenzaag draait met 16500 tpm en beweegt met 30 mm/min. Deze snelheid duwt waar de Othermill toe in staat is, dus het kan nodig zijn om hem nog meer te vertragen. Deze stap wordt getoond in de video hierboven.

Als je meer wilt weten over de details over CNC-bewerking, zal ik je verwijzen naar NYC CNC op YouTube. Ze doen het beter dan ik hier ooit zou kunnen.

Ter referentie voor degenen die weten wat het betekent: de instellingen die op de andere frees v2 voor de 1/8 vingerfrees worden gebruikt, zijn 16400 RPM (163,5 m/min), 300 mm/min, 1 mm snedediepte en 1,3 mm breedte van snee.

Omdat de andere molen niet genoeg z-hoogte heeft om het horloge op zijn kant te houden, moet ik handmatig de gaten voor de horlogeband en het gat voor de zijschakelaar boren. Om ze op de onregelmatig gevormde zijkanten van het horloge te lokaliseren, heb ik een aantal handleidingen in 3D geprint, te zien op foto's 5-7. Om de boornauwkeurigheid te helpen is het belangrijk om de boor zo ver mogelijk in de boorkop te krijgen; dit maakt het moeilijker voor het bit om te dwalen.

Het gat van de zijschakelaar heeft een niet-ronde vorm, dus het moet worden verfijnd nadat u met de boor bent begonnen, wat wordt gedaan met behulp van Zwitserse vijlen. Met behulp van schuifmaten meet ik het huidige gat en vijl het op de juiste maat. Het gat moet 4,6 mm van de bovenkant, 3,8 mm van de onderkant en 25,8 mm van het verste punt van elke nok zijn. Ik raad aan om Clickspring op YouTube te kijken voor inspiratie terwijl je het gat vult.

Stap 6: De zijschakelaar bewerken

De bestanden die in deze stap werden gebruikt, werden in het zip-bestand opgenomen in de bewerkingsinstellingen.

De zijschakelaar is zeer vergelijkbaar met de MechWatch-behuizing machinaal bewerkt. Het wordt gefreesd met een 1/8" vingerfrees met dezelfde instellingen als het geval. Gebruik vervolgens een 1/8" kogelfrees op de gebogen oppervlakken, dezelfde instellingen als voorheen.

De tweede opstelling is te zien op foto 3-4 voor en na de bewerking. 1/8" vingerfrees, 1/8" kogelfrees, 1/32" vingerfrees dan M1.6 draadfrees. (er is een schroefdraadgat om het aan de schakelaar op het bord te houden).

Ik maak de schakelaar om twee redenen uit een groter stuk aluminium. De eerste reden is dat ik de zijkanten kan vastklemmen en niet per ongeluk het stuk kan frezen dat het vasthoudt. De tweede is zo dat als ik hem in de gleuf plaats voor de derde operatie hij nog kan worden vastgeklemd (zie foto 5).

Stap 7: De achterkant van de behuizing bewerken

De horlogebodem is gemaakt van acryl, deze moet niet van metaal zijn vanwege het inductieve opladen. Ik gebruik wat aluminium restanten om het van de rand af te houden (elk 12,7 mm dik) en dubbelzijdig plakband om het op zijn plaats te houden.

Omdat het plastic veel gemakkelijker te bewerken is dan aluminium, is het mogelijk om agressiever te zijn met de CNC-instellingen. Beginnend met een 1/8" vingerfrees zijn de instellingen 16500 RPM, 600 mm/min snijsnelheid, 1,5 mm snedediepte en 1 mm snedebreedte. Gebruik voor het snijden van de fijne details een 1/32" schachtfrees met de dezelfde instellingen maar een snedediepte van 0,25 mm en een snedebreedte van 0,3 mm.

Na het draaien van een tandenstoker uit een stam (ik zou dunnere bouillon moeten gebruiken, maar dit is wat ik heb) heb ik het horloge terug af. Het heeft de vorm van een elektromagneet erin gesneden om het horloge dun te houden.

Om het van het bed te verwijderen, steek ik een inbussleutel in de t-gleuf en wrik voorzichtig omhoog, naar het volgende punt waar het begint los te komen.

De laatste stap is om een boor te nemen en de gaten aan de onderkant voorzichtig te verzinken. Dit doe ik door de boor met de hand te draaien. Ik vind het gemakkelijker om gecentreerd en onder controle te blijven.

Nogmaals, de bestanden die in deze stap werden gebruikt, werden in het zip-bestand opgenomen in de bewerkingsinstellingen.

Stap 8: Kijk Montage

Dit is de meest lonende stap, alle onderdelen nemen en ze in elkaar zetten in het uiteindelijke horloge. Alle gearrangeerde onderdelen (minus de 24 mm brede horlogeband en de 24 mm lange snelspanveerstangen met een diameter van 1,5 mm) zijn te zien op afbeelding 1.

Het eerste deel is lastig, omdat de o-ringen met een diameter van 40 mm die ik heb besteld, eigenlijk dichter bij 37 mm zijn, dus ze moeten snel worden uitgerekt en geïnstalleerd. Gebruik het uiteinde van een kogelinbussleutel om deze op zijn plaats te drukken door hem langs de groef te rollen, zoals te zien is in afbeelding 2.

Wanneer de O-ring goed is geplaatst, drukt u het kristal (40 mm diameter 1,5 mm dikte) stevig in de horlogekast. De o-ring moet hem op zijn plaats houden terwijl hij bijna onzichtbaar is.

Nu is het tijd om de elektronica te installeren. Veeg eerst de binnenkant van het kristal af met een pluisvrije doek en plaats de elektronica in de behuizing, let op de sleutel om de richting recht te houden. De printplaat moet stevig in de behuizing zitten, maar als hij los zit, kan hij worden vastgezet met een kleine druppel superlijm op de sleutel om hem op zijn plaats te houden.

Zodra de elektronica erin zit, past de zijschakelaar door het gat en over de schakelaar die op de print is gemonteerd. Een M1.6 stelschroef houdt de twee stukken bij elkaar zoals te zien is in afbeelding 4.

Vervolgens moeten de langere kabels op de spoel worden opgevouwen en weggestopt waar ze geen blootliggende elektrische contacten wrijven.

De voorlaatste stap is om alles te sluiten en de plastic behuizing terug te bevestigen met de 4 M1.6-schroeven. Het is belangrijk om op te letten dat de vorm aan de achterkant overeenkomt met de spoelvorm. Het kan nodig zijn om de plaatsing van de draad aan te passen, zodat deze beter past.

De laatste stap is om de horlogeband te bevestigen met behulp van de snelsluitingen (foto's 8-9). Afhankelijk van de gekozen band, kan het nodig zijn om de band aan te passen om met de veerstaven te werken. Voor de getoonde haaiengaasband gebruik ik draadknippers om een klein gaatje te maken voor het snelontgrendelingsmechanisme.

Stap 9: Laatste opmerkingen

Het horloge is nu klaar!

Slechts een paar opmerkingen: de zijschakelaar kan soms een beetje plakkerig worden, om dit te verhelpen kan het nodig zijn om het gat te vergroten of de locatie van de schakelaar aan te passen door de stelschroef los te draaien, de schakelaar dicht bij het lichaam te houden en de schroef.

Om het horloge op te laden heb ik een op maat gemaakte oplaadstandaard gemaakt, gebaseerd op de Adafruit Qi-oplader (https://www.adafruit.com/product/2162) op de tweede foto, maar dat is een onderwerp voor een andere keer.

Welke lader ook wordt gekozen, het is belangrijk op te merken dat er zich geen metaal tussen de spoel en de lader mag bevinden. Omdat de band die ik heb gekozen van metaal is, moet hij rond de oplader gaan

Bedankt voor het lezen tot het einde, ik hoop dat je iets hebt geleerd. Ik ben blij om de MechWatch te delen na maanden in de maak.

Eerste prijs in de klokkenwedstrijd