VizTimer: el reloj de arena electrónico: 28 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Cuando nuestro hijo tenía unos tres o cuatro años, comenzamos a esperar que hiciera las cosas de manera oportuna. Yo diría cosas como "¡Tenemos que irnos en diez minutos!" O "Juega con ese camión durante cinco minutos más y luego dale un turno a alguien más". El problema era (a) no podía leer un reloj, ni digital ni analógico, y (b) no tenía idea de cuánto dura un minuto. Me di cuenta de que necesitaba una forma clara de ver qué aspecto tenían cinco o diez minutos y poder hacer un seguimiento del tiempo restante. Entonces, me propuse diseñar y construir un temporizador visual. Había visto muchas variaciones, incluido el clásico reloj de arena, pero sentí que la metáfora de la rotación no era intuitiva para los niños muy pequeños: se trata de mirar ángulos y fracciones de un círculo. Una vez que me decidí por un diseño más lineal, la idea de un reloj de arena electrónico parecía obvia: proporciona la metáfora visual correcta y podría usar un acelerómetro para implementar la ergonomía de darle la vuelta para iniciar y detener el temporizador.

Mi diseño final, que les mostraré aquí, es relativamente simple. La parte visual consta de una tira de LED RGB direccionables individualmente (por ejemplo, WS2812). La programación se realiza con un solo botón (un botón táctil capacitivo, porque es plano). Un microcontrolador compatible con Arduino (un Adafruit Metro) ejecuta el programa y lee la información de orientación de un acelerómetro analógico de 3 ejes. La energía es proporcionada por una batería recargable extraída de un banco de energía del teléfono (un ion de litio estándar 18650). Lo bueno del banco de energía es que incluye el circuito de carga, un puerto micro-USB y emite 5V, que es lo que esperan el microcontrolador y la tira de LED.

Dependiendo de su nivel de experiencia, probablemente pueda hacer este temporizador en uno o dos fines de semana. Necesitará habilidades básicas de soldadura y las herramientas y suministros asociados. La variable más importante es el gabinete: tengo herramientas eléctricas para trabajar la madera que facilitan este trabajo, pero también discutiré formas alternativas de construir el gabinete sin muchas herramientas.

Paso 1: Materiales y herramientas

MATERIALES

Para la electrónica:

• Banco de energía portátil para teléfono celular (con batería de 18650 cilindros): el rango de precios es enorme, pero no pague más de $ 10
• Interruptor basculante de 2 pines, algo como esto:
• Terminales para el interruptor: un kit es útil:
• Microcontrolador AVR: potencia de 5 V con al menos tres entradas analógicas. El Adafruit Metro Mini es perfecto.
• Acelerómetro de 3 ejes: Adafruit vende una placa de conexión ADXL335.
• Botón táctil capacitivo: Adafruit vende un tablero de botones completo.
• Tablero pequeño para la creación de prototipos (uno con rieles eléctricos): los tableros Adafruit Perma-proto son de buena calidad
• Conector de alimentación JST pequeño, como este:
• Tira de LED RGB direccionable (por ejemplo, WS2812): obtenga la tira de 144 LED / metro:
• Cable Dupont de 3 hilos con conector hembra

• Cable de conexión (calibre 24 y 26)

Para el cerramiento

• Madera en bruto (al menos 1,25 pulgadas de grosor) O madera contrachapada de varios grosores
• Tira de madera para la parte superior e inferior (0,25 pulgadas de grosor)
• Lámina pequeña de plexiglás o acrílico
• Hoja de material de difusión: las esteras de corte de plástico delgadas son excelentes:
• Tornillos n. ° 6, cabeza plana y cabeza plana, 5/8 pulgadas
• Goma laca Zinsser, poliuretano limpiable
• Cinta, pegamento, papel de lija

INSTRUMENTOS

• Cortadores y pelacables
• Soldador
• Sierra de corte
• Sierras para madera
• Taladro, brocas, incluida la broca avellanadora
• Cinceles y limas
• Cortador de plexiglás o cuchillo de uso general

Carpintería

• Sierra de mesa
• Sierra de banda
• Sierra de sable
• Taladro de banco

Paso 2: prepare la batería

El primer paso es separar el cargador portátil y quitar el conector USB A. Estos dispositivos son bastante simples: tienen una batería de iones de litio 18650 y una pequeña placa que contiene los circuitos de carga y descarga. Por lo general, hay dos enchufes: un micro-USB para cargar la batería (entrada) y un USB A más grande para proporcionar energía a los cables de carga del teléfono (salida). Vamos a utilizar la salida para alimentar el temporizador, por lo que no es necesario el conector USB A. Use una combinación de soldador y alicates para quitarlo.

NOTA: Tenga cuidado de no dañar los cables que quedan en la placa. Necesitaremos usar los dos externos.

Paso 3: agregue los conectores de alimentación

Comience soldando un cable 24AWG en cada uno de los cables de alimentación donde estaba el conector USB A. Utilizo rojo y negro para ayudarme a recordar cuál es potencia (5V) y cuál es tierra. En el lado de la alimentación, agregue un terminal que se ajuste a los cables del interruptor de alimentación. Prepare un segundo cable rojo con un terminal en un extremo.

Si conecta los dos terminales al interruptor, debería tener dos extremos de cables a la izquierda, uno rojo y otro negro. Únelos a un lado de un conector JST. Me gustan los conectores JST para las conexiones de alimentación porque la forma del conector evita que lo enchufes de manera incorrecta y que se fríe el circuito.

Prepare un cable rojo y negro con el otro lado del conector JST.

Asegúrese de que los cables sean lo suficientemente largos para llegar a lo largo del temporizador (vea las fotos posteriores). Es fácil de recortar o simplemente colocar un cable adicional.

Paso 4: ensamble el tablero de control

El tablero de control es bastante simple, pero hay algunos detalles a tener en cuenta. Comience con un perma-proto broad que tenga el mismo patrón de cableado de clavijas que una placa de pruebas estándar (observe los rieles de alimentación). Córtelo según sea necesario para hacerlo lo más pequeño posible, dejando los rieles eléctricos y suficientes orificios para los pines para que pueda agregar los cables de conexión necesarios.

Suelde el microcontrolador y el acelerómetro a la placa usando encabezados estándar. NOTA la orientación de las dos placas:

• Asegúrese de que el conector micro-USB esté orientado hacia el borde de la placa, de modo que aún pueda acceder a él para programar.
• Tenga en cuenta la orientación del acelerómetro porque esa elección determinará lo que considera "arriba" frente a "abajo".

Paso 5: Cable de alimentación y acelerómetro

Decida cuál de los rieles de alimentación será de 5 V y cuál se conectará a tierra. Agregue pequeños segmentos de cable de los rieles de alimentación a la alimentación y a tierra en ambas placas de conexiones.

Agregue tres cables para conectar las tres salidas del acelerómetro a tres pines de entrada analógica en el microcontrolador. En mi configuración, conecté la salida X a A2, la salida Y a A1 y la salida Z a A0.

Paso 6: cablee el conector de alimentación

Suelde el lado libre del conjunto del conector JST a la placa de control. Preste atención a la polaridad: asegúrese de que el cable rojo esté soldado al riel de alimentación de 5 V y el negro al riel de tierra.

Paso 7: cablee la tira de LED

En este paso, decidirá el tamaño total del temporizador porque queremos que la tira de LED funcione en toda su longitud. Elegí una tira de LED con 30 LED con una densidad de 144 LED / metro. La altura total es de aproximadamente 8 1/2 pulgadas. Coloqué todas las piezas en la madera en bruto para asegurarme de que encajaba.

La mayoría de estas tiras se pueden cortar a cualquier longitud, solo asegúrese de cortar en el punto especificado donde están expuestas las almohadillas. Suelde tres cables en las almohadillas expuestas en el extremo de entrada de la tira. La mayoría de las tiras tienen algún tipo de indicador, como una pequeña flecha, que muestra la dirección en la que viajan los datos. La energía se puede conectar en cualquier extremo, pero los datos deben ir en la dirección correcta por la tira.

Asegúrese de que los cables sean lo suficientemente largos para que puedan enrollar desde la parte delantera del temporizador hasta el tablero de control. Suelde los cables de alimentación en los rieles de alimentación de la placa de control y suelde el cable de datos a una de las clavijas digitales del microcontrolador.

Paso 8: agregue el botón táctil capacitivo

Al igual que el interruptor de encendido, el botón táctil capacitivo necesita un conector extraíble debido a la forma en que está conectado al temporizador. Mi estrategia aquí es soldar encabezados rectos en el botón, luego soldar un cable Dupont de tres hilos a la placa de control. El conector Dupont "hembra" encaja perfectamente en el espaciado de los pines del cabezal.

Suelde los cables de alimentación y de tierra a los rieles del tablero de control, como lo hizo con la tira de LED. Conecte la línea de datos (que leerá "alto" cuando se presione el botón) a uno de los pines de entrada digital en el microcontrolador.

El circuito completo se muestra en la fotografía final. En este punto puede encenderlo y, si lo desea, cargar el código y probarlo.

Paso 9: diseñe el gabinete

Mi recinto está hecho principalmente de una losa de arce de aproximadamente 8 1/2 pulgadas de largo, 2 1/2 pulgadas de ancho y 1 1/4 pulgadas de grosor. Use la tira de LED como guía para cortar la longitud, agregando 1/8 de pulgada adicional para cables y espacio libre.

La electrónica debe encajar cómodamente en la losa de madera, con la batería y el interruptor en la mitad inferior y el tablero de control en la mitad superior. El temporizador final en realidad tendrá dos espacios de envolvente separados para estos componentes.

Paso 10: Recintos alternativos

Me doy cuenta de que no todo el mundo tiene las herramientas necesarias para hacer el cerramiento que se describe en los siguientes pasos. Hay algunas alternativas que aún resultan muy agradables.

Una estrategia que dará como resultado un recinto muy agradable y de aspecto moderno es cortar piezas de madera contrachapada en las formas necesarias y pegarlas como un sándwich. Este enfoque se puede lograr con unas pocas herramientas manuales. Puede obtener pequeñas piezas de madera contrachapada de alta calidad en varios espesores en tiendas de artículos de arte y pasatiempos.

Paso 11: corte el frente

En mi primer prototipo de este temporizador, taladré y cincelé los espacios para la electrónica, lo que resultó ser un gran dolor y nunca pude conseguir que se viera completamente limpio. En su lugar, volví a aserrar la madera en bruto, es decir, la corté en dos tablas del mismo tamaño, pero de diferente grosor. La parte delgada se convierte en el frente sólido, y la parte más gruesa se convierte en la parte que sostiene la electrónica.

Para asegurarme de que los espacios sean lo suficientemente grandes, utilizo el grosor de la batería para determinar dónde cortar. Este paso se puede realizar con una sierra de mano, pero usar una sierra de cinta lo hace más fácil y preciso.

SUGERENCIA: Marque el final de la tabla con un triángulo u otra marca justo después de cortarla, de esa manera puede recordar fácilmente exactamente cómo las dos tablas se vuelven a unir.

Paso 12: Diseñe y reduzca el espacio para los componentes electrónicos

Trabajando con la parte gruesa, establezco la forma aproximada del temporizador. Las paredes del recinto tendrán un grosor de aproximadamente 3/8 de pulgada. Use su electrónica como guía para los tamaños de los espacios: la batería debe caber en el espacio inferior, la placa de control debe caber en el espacio superior.

Comience perforando las esquinas de los espacios. Eliminaremos completamente estos rectángulos, lo cual es un trabajo rápido usando una sierra de sable. Limpiar los bordes con una lima y / o papel de lija.

¡Ahora puede ensamblar en seco el gabinete y asegurarse de que los componentes electrónicos realmente encajen!

Paso 13: corte los orificios para los conectores

Es mucho más fácil cortar los orificios para el interruptor de encendido y el micro USB (para cargar) antes de pegar el conjunto. Mida usando el interruptor real y la placa de carga, y corte con una sierra pequeña. Limpia con limas para conseguir un ajuste perfecto.

También necesitamos cortar un canal entre las dos cámaras del armario para conectar la alimentación. Puede usar cualquier combinación de cinceles y sierras; esta parte no necesita ser bonita porque no será visible. Pero asegúrese de que sea lo suficientemente ancho para permitir que pase el conector JST.

Paso 14: pegue el gabinete

Pegue los dos lados del recinto juntos. Mire cuidadosamente sus marcas y la veta de la madera para asegurarse de que las está pegando nuevamente de la manera correcta. ¡Quieres que el resultado final se vea como si nunca hubieras cortado el tablero!

Me resultó complicado mantener las tablas alineadas al sujetarlas, así que utilicé una abrazadera paralela grande en la parte superior e inferior para evitar que todo se deslizara.

Paso 15: haz la parte superior e inferior

Las piezas superior e inferior pueden ser de cualquier tamaño y forma, y de la madera que desee. El único requisito es que sea lo suficientemente grueso para acomodar la placa de conexión del botón táctil capacitivo.

La parte que encontré más desafiante de este paso es alinear las piezas cuando taladré los orificios de los tornillos. Mi estrategia es perforar los agujeros en las piezas superior e inferior primero, luego alinearlos y marcar los agujeros en los extremos del temporizador. Asegúrese de avellanar los orificios de los tornillos lo suficiente para que los tornillos no sobresalgan; de lo contrario, el temporizador se tambaleará cuando intente levantarlo.

Todavía terminé con partes que estaban un poco torcidas. Puede solucionar este problema pegando un palillo de dientes en el orificio anterior, esperando a que se seque, cortándolo y perforando un nuevo orificio.

Paso 16: Corte el hueco para el botón táctil capacitivo

El botón táctil capacitivo está al final del temporizador más cercano al tablero de control. Este es el final que se activará cuando configure el temporizador y disminuirá cuando esté funcionando. Al igual que con los tornillos, es importante que el botón no sobresalga de la madera, de lo contrario el temporizador será inestable al darle la vuelta.

Mida y corte un orificio lo suficientemente grande para acomodar los pines de la placa y el conector Dupont de 3 cables de la placa de control. Coloca el botón en su posición y traza el contorno del tablero. Usando una combinación de taladrar y cincelar, forme un hueco que permita que el botón se asiente lo suficientemente bajo, para que no interfiera con el temporizador apoyado. También me resultó útil recortar los cables en la parte superior del tablero para hacerlos lo más cortos posible.

Paso 17: Taladre agujeros en el final del temporizador para cables

Tanto el botón táctil capacitivo como la tira de LED necesitan cables que se extienden desde el interior del gabinete. Para hacer espacio para ellos, taladre dos orificios en el extremo del temporizador hasta el interior del gabinete.

El primer orificio deja espacio para los tres cables que alimentan la tira de LED. La forma no es crucial, pero debes tallar un poco la parte delantera del temporizador para que se puedan doblar hacia delante.

La segunda retención va desde el tablero de control hasta el botón táctil capacitivo. La posición y el tamaño de este orificio deben coincidir con el orificio que cortó en el paso anterior. Alinee la parte superior y marque el agujero. Taladre y cincele hasta que el conector Dupont de tres cables pase limpiamente para conectarse al botón.

Paso 18: corte el respaldo de plexiglás

La parte posterior del temporizador es de plexiglás transparente, que sujeta los componentes electrónicos y los muestra. Trace el contorno del recinto y use una herramienta de puntuación o un cuchillo para marcar el plexiglás. Corta la línea marcada varias veces para hacerla profunda. Alinee la línea marcada con el borde de la mesa y, con un rápido movimiento hacia abajo, retire la pieza de plexiglás. Debe romperse limpiamente.

Esta técnica solo funciona con roturas que atraviesan todo el plexiglás, por lo que es posible que se necesiten dos roturas para obtener el tamaño correcto. Deje la película protectora puesta por ahora.

Paso 19: Taladre agujeros para el respaldo

Alinee la parte posterior de plexiglás y péguela con cinta adhesiva. Taladre un agujero en cada esquina para un tornillo pequeño. Usé tornillos número 6 de cabeza troncocónica de 5/8 . Tenga cuidado de no perforar demasiado en la madera. Centre los orificios de los tornillos en la madera disponible en cada esquina para obtener el máximo poder de sujeción.

Paso 20: Marque la alineación posterior

Un problema con el que me he encontrado en el pasado es que olvido cómo estaba orientado el plexiglás cuando taladré los agujeros. Sin embargo, las pequeñas diferencias en la posición de los tornillos a menudo significan que no encajarán de otra manera. En lugar de adivinar, creo una marca que me dice exactamente cómo deben orientarse las piezas.

Antes de quitar la cinta, use una lima o una sierra pequeña para cortar un divot asimétrico a través del plexiglás y la madera. Esta marca solo se alineará cuando las piezas estén en la posición correcta.

Paso 21: corte en forma de reloj de arena

Ahora que el recinto está esencialmente terminado, podemos cortar la forma de reloj de arena. Las dimensiones exactas no son críticas, pero asegúrese de no debilitar demasiado la caja cortando cerca de las cajas interiores.

Manteniendo la cinta puesta, corte la madera y el plexiglás al mismo tiempo. Usé una sierra de cinta, pero la mayoría de las sierras de mano pueden cortar ambos materiales. Limpia los cortes con limas y papel de lija.

Paso 22: corte la ranura para la tira de LED

La parte frontal del temporizador tiene una ranura para acomodar la tira de LED y el material de difusión. Alinea la tira de LED y traza su contorno en la madera. Agregue un conjunto de líneas paralelas alrededor de 1/8 a 1/16 fuera de esas líneas para marcar cuándo se apagará el difusor.

Este paso es el más difícil sin las herramientas eléctricas adecuadas. Usé una sierra de mesa con una hoja de ranurar para cortar un canal profundo para los LED (las líneas internas). ¡Asegúrese de no cortar hacia el interior del recinto! A continuación, corté un canal poco profundo para el difusor (las líneas exteriores). Pruebe el ajuste de la tira de LED y asegúrese de que los cables lleguen cómodamente al tablero de control.

¡Ya casi terminaste en este punto!

Paso 23: lijar y terminar

Lije las tres partes de madera con papel de lija 220 o superior. También me gusta agregar un pequeño bisel a lo largo de todos los bordes en ángulo recto para darle al gabinete un aspecto más refinado y para que sea más agradable de sostener.

Empiezo con una o dos capas de goma laca, que se hunde en la madera y realmente resalta la veta. Se seca rápido, por lo que no tendrá que esperar mucho. Una vez seco, lijar ligeramente con papel de lija 320 o 400 para nivelar la superficie. Pero no exagere: aún debería poder ver algo del acabado brillante.

A continuación, aplico una capa o dos de poliuretano para limpiar, que es un acabado resistente pero atractivo. Puede pulirlo ligeramente con lana de acero una vez que esté seco.

Paso 24: ensamble la electrónica

Comience el ensamblaje final alimentando la tira de LED desde el interior del gabinete hasta el canal en el frente. Despegue la cinta adhesiva o use una pequeña cantidad de pegamento para pegar la tira al canal.

A continuación, pegue con pegamento caliente el botón táctil capacitivo en el hueco de la parte superior. Debería poder ver los pines sobresaliendo por la parte inferior. Asegúrese de que el botón esté al ras (o más abajo) de la superficie de la parte superior, para que el temporizador no se mueva.

Inserte la batería en el compartimento inferior y pase el conector USB. Use un poco de pegamento caliente para asegurarse de que esté seguro en el espacio.

Agregue el tablero de control al compartimiento superior del gabinete. Alimente el conector JST de la batería a través del canal oculto en el centro del temporizador. Conéctelo al conector JST de la placa de control.

Pase el conector Dupont de 3 hilos del tablero de control a través del orificio en la parte superior y conéctelo a los pines en la parte inferior del botón táctil capacitivo.

Presione el botón de encendido / apagado a través del orificio en el costado del gabinete (desde el exterior), hasta que se asiente cómodamente en su lugar. Conecte los terminales de dos cables a los dos cables del interruptor.

Debería tener la configuración que se muestra en la última foto.

Paso 25: Termine de ensamblar el gabinete

Alinee el plexiglás y asegúrelo en su lugar con cuatro tornillos. Atornille las piezas superior e inferior. Verifique la alineación de todo y asegúrese de que el temporizador esté plano sobre la mesa en cualquier extremo.

Paso 26: agregue el material de difusión

Corta una tira de material de difusión que sea ligeramente más ancha que el canal alrededor de la tira de LED. Esto hará que el difusor se arquee un poco, manteniéndolo en su lugar sin pegamento y proporcionando más difusión. En general, cuanto más lejos está el difusor del LED, más difuso lo hace.

Hay muchos materiales adecuados. He usado tapetes de plástico finos para cortar (baratos en Amazon) y esta "cartulina" de plástico (que es delgada y flexible, y no "cartulina" en absoluto).

Paso 27: personalice y cargue el código

Descarga el código de github.com/samguyer/VizTimer. También necesitará la biblioteca FastLED, que proporciona los controladores de bajo nivel para los LED. Las partes que es más probable que necesite cambiar están justo en la parte superior: los cinco pines (el pin LED, el pin táctil capacitivo y los tres pines del acelerómetro). También es posible que deba establecer la cantidad de LED en la tira.

¡Siéntete libre de explorar y modificar el código!

Conecte la placa de control a su computadora y cargue el código. Deberá quitar el respaldo de plexiglás para acceder al conector micro-USB del microcontrolador.

Paso 28: Cómo usarlo

El objetivo de este diseño era hacer que configurar y ejecutar el temporizador fuera lo más simple posible.

El temporizador tiene tres modos: modo de programa, modo de temporización y modo de pausa. El modo está determinado por la orientación del temporizador: modo de programa cuando el botón táctil capacitivo está en la parte superior, modo de temporizador cuando está en la parte inferior y modo de pausa cuando el temporizador está de lado.

MODO DE PROGRAMA

Cuando lo encienda por primera vez, verá un "cursor" amarillo parpadeante en la parte inferior de la tira de LED. Toque el botón capacitivo para agregar tiempo en incrementos de 15 segundos. Cada 15 segundos se muestra como un punto morado. Cuando llega a los 60 segundos, los puntos morados son reemplazados por un punto azul, que representa un minuto. Mantenga presionado el botón para agregar minutos continuamente hasta que se suelte el botón. Cada punto de cinco minutos es de color blanco para que sea más fácil ver el total.

MODO DE TIEMPO

Al dar la vuelta al temporizador se inicia la cuenta atrás. Todos los puntos comienzan a iluminarse, independientemente del tiempo total; esta fue una elección de diseño de mi parte. También puede programarlo para que cada punto signifique siempre la misma cantidad de tiempo.

Los puntos caen uno a uno hasta que se acaba el tiempo. Luego, el temporizador muestra un "final" colorido durante unos 15 segundos. Para volver al modo de programa, vuelva a girar el temporizador. El cursor amarillo se volverá a mostrar. Si vuelve a poner en marcha el temporizador inmediatamente sin programarlo, utilizará la cantidad de tiempo anterior.

Una buena adición a este temporizador sería un pequeño altavoz para reproducir sonidos, especialmente un sonido de alarma al final.

MODO PAUSA

Durante el modo de temporización, puede pausar el temporizador girándolo 90 grados y apoyándolo a un lado. Los puntos de temporización se congelan en su lugar y pulsan suavemente para indicar que el temporizador está esperando a reiniciarse. Gírelo hacia atrás para continuar cronometrando, o al revés para volver al modo de programa.

¡Espero que disfrutes de este dispositivo tanto como yo!