MechWatch: un reloj digital personalizado: 9 pasos (con imágenes)

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

El MechWatch es un reloj que diseñé para tener las ventajas de Arduino en términos de flexibilidad, pero quería que se viera y se sintiera tan profesionalmente como pudiera. Con ese fin, este instructable utiliza componentes electrónicos de montaje en superficie bastante avanzados (sin conexiones expuestas para soldar) y equipos de fresado CNC.

Comenzaré por cómo se lee la hora, con una ilustración en la segunda imagen. Hay dos anillos de LED, uno es la manecilla de las horas y el otro actúa como un minutero, apuntando del 1 al 12 como en un reloj analógico. Debido a que la manecilla de los minutos solo se puede mover en incrementos de 5 minutos, hay 4 LED separados para mostrar cualquier minuto. Como ejemplo, la tercera imagen muestra el reloj mostrando 9:41.

La interacción del reloj se realiza a través de un interruptor de dos vías en el lado que se desliza hacia las orejetas (adelante / atrás). Para configurar la hora:

1. presione y mantenga presionado el interruptor hasta que las luces se apaguen. Cuando se suelte, la hora parpadeará y el interruptor se puede presionar hacia arriba / abajo para cambiar la hora

2. Presione y mantenga presionado el interruptor nuevamente hasta que las luces se apaguen para cambiar a la configuración de los minutos de la misma manera

3. Presione y mantenga presionado el interruptor hasta que las luces se apaguen nuevamente para ahorrar tiempo

4. Si espera demasiado mientras ajusta la hora sin presionar un botón, el reloj simplemente se irá a dormir sin guardar ningún cambio.

Este instructivo describe cómo hacer el reloj completo y proporciona todos los archivos fuente necesarios.

Paso 1: Diseño de electrónica

Este paso describe los detalles de la electrónica. La primera imagen es el esquema eléctrico, que muestra cómo están delineadas todas las partes. La segunda imagen muestra cómo está arreglado el tablero, la parte superior es roja y la parte inferior es azul.

Para cualquier persona interesada en la lista exacta de materiales para todas las partes electrónicas, así como en dónde las compro, he adjuntado un archivo de Excel con enlaces, en lugar de hacer que todos se desplacen por la lista larga.

Quería mantener la parte superior de la placa de circuito relativamente clara con una estética de diseño consistente, así que puse el microcontrolador en el medio y coloqué el RTC, el cristal y las resistencias a su alrededor. Los LED rodean el exterior e incluso las trazas alrededor del exterior reflejan la estética del diseño circular.

Para conectar los LED con el microcontrolador, se pueden organizar en una cuadrícula, lo que requiere 12 pines de E / S digitales para controlarlos. También quiero usar un reloj en tiempo real (RTC) para mantener la hora, de modo que pueda poner el microcontrolador en un sueño profundo para ahorrar energía. El RTC usa significativamente menos energía que un microcontrolador, lo que permite hasta 5 días entre cargas. Para comunicarse con el microcontrolador, el RTC requiere comunicación I2C. Elegí el ATMEGA328P porque cumple con estos requisitos y ya estoy familiarizado con su uso (también se usa en muchos Arduinos).

Para interactuar con el reloj, el usuario necesita algún tipo de interruptor, así que encontré un interruptor deslizante de dos vías que vuelve al centro mediante resortes. Un interruptor deslizante externo se conecta al interruptor eléctrico mediante un tornillo de fijación.

Decidí usar una batería de litio para alimentar todo y la carga inductiva Qi para recargarla. Quería evitar usar cualquier tipo de conectores para recargar el reloj porque presentan aberturas para dejar entrar la suciedad y el agua y probablemente se corroerán con el tiempo, al estar tan cerca de la piel. Después de leer más hojas de datos de las que nadie querría, me decidí por el BQ51050BRHLT. Tiene buenos diagramas de referencia y un cargador de batería de litio integrado (el espacio es escaso).

Como no había una buena forma de colocar los componentes electrónicos de carga de Qi en la parte superior, tuve que colocarlo en la parte posterior de la placa con la batería. El interruptor también se encuentra en la parte posterior, pero eso se debe a que es una mejor ubicación para conectar un interruptor externo.

Paso 2: Ensamblaje de la electrónica

He ordenado casi todas las piezas electrónicas en la primera imagen. Dejé de lado varios de los condensadores y resistencias, porque todos se ven muy similares y son fáciles de mezclar o perder.

Para soldar las almohadillas, usaré una plantilla de soldadura. Rápidamente hice el soporte en la segunda imagen para mantener las placas de circuito alineadas debajo de la plantilla, pero hay varias opciones más fáciles disponibles, la más simple es la cinta.

La tercera imagen muestra la plantilla alineada sobre el tablero. La cuarta imagen muestra untar la pasta de soldadura en los orificios de la plantilla. Es importante que la plantilla se levante hacia arriba después de aplicar la soldadura. Esta foto también revela la forma improvisada en que estoy haciendo esto porque nunca antes había usado una plantilla. La próxima vez no compraría el marco. Habría sido más fácil pegar una hoja más pequeña a lo largo de un borde sin el marco, vivir y aprender.

Ahora una tarea tediosa y difícil; coloque cada una de las partes en el tablero con un par de pinzas. La imagen 7 muestra las piezas colocadas y la imagen 8 las muestra soldadas.

El video en lugar de la sexta imagen muestra el proceso de soldadura. Utilizo una estación de soldadura de aire caliente ajustada a 450 ° C para derretir la soldadura sin alterar las piezas, alternativamente es posible usar un horno de soldadura para hacer lo mismo. Después de soldar la parte inferior, use un multímetro en modo de continuidad para verificar si hay cortocircuitos entre los pines adyacentes en el IC. Cuando encuentre un corto, use un soldador para alejarlo del chip y romperlo.

Al soldar de esta manera, es importante calentar lentamente la placa durante un par de minutos antes de fundirla. De lo contrario, el choque térmico puede destruir las piezas. Sugeriría mirar instrucciones más detalladas si no está familiarizado con este método.

A continuación, es necesario conectar la bobina al conector de 2 cables y sujetarla sobre la base de carga. Si todo salió bien, la luz verde de carga debería encenderse durante aproximadamente un segundo y luego apagarse. Si hay una batería conectada, la luz verde de carga debe permanecer encendida hasta que termine de cargarse.

Una vez que la carga funciona como se esperaba, es el mismo proceso para soldar la parte superior de la placa. Una nota para los LED en la imagen 9, hay una pequeña marca en la parte inferior de los LED para mostrar la orientación. El lado hacia el que sale la pequeña línea es el extremo estrecho del triángulo en el esquema de LED. Es importante verificar esto para cada LED de montaje en superficie que use porque las marcas pueden variar entre diferentes fabricantes.

Paso 3: Programación y prueba de electrónica

Use un AVRISP mkII para programar el microcontrolador (presione y mantenga presionada la tecla shift mientras hace clic en cargar en el IDE de Arduino). También es posible usarlo para grabar el gestor de arranque de forma normal y usar la conexión en serie en la parte posterior del reloj con un cable FTDI. Pero al eludir el cargador de arranque y programar directamente con el AVR ISP mkII, el código se inicia más rápido en el encendido.

También adjunté el código a este paso. Si alguien quisiera mirar más en profundidad, he comentado el código para explicar lo que hace cada parte. La estructura general del código es una máquina de estados. Cada estado tiene un fragmento de código que ejecuta, así como las condiciones para pasar a un estado diferente.

Gran parte del código que controla los pines de E / S controla directamente los registros, es un poco más difícil de leer, pero su ejecución puede ser hasta 10 veces más rápida que la digital. Escriba o lea.

Paso 4: Configuración de mecanizado

La configuración de mecanizado de la caja del reloj es bastante compleja y requiere un poco de preparación.

El molino que estoy usando es un Othermill v2 (ahora llamado Bantam Tools) con un kit de abrazadera de pie. Las abrazaderas me permiten sujetar la pieza de trabajo por los lados, que utilizo para la primera configuración.

El mecanizado del reloj se realiza en tres configuraciones. La primera configuración solo tiene el material de partida sujeto a la base del CNC y el molino corta la forma interior del reloj y elimina un poco de la superficie. La configuración del software de mecanizado se puede ver en la sexta imagen.

La segunda configuración requiere un accesorio personalizado para sostener la caja del reloj desde el interior, por lo que es posible cortar toda la forma exterior superior del reloj. El accesorio personalizado se puede ver en la primera imagen con una vista explosionada en la segunda imagen. La pequeña pieza central tiene un orificio roscado, por lo que cuando se aprieta un tornillo, levanta la pieza y fuerza las dos piezas laterales dentro de la caja del reloj, manteniéndola en su lugar. El software de mecanizado para la segunda configuración se ve en la imagen 7.

La tercera configuración requiere otro accesorio personalizado para sostener el reloj; éste es un poco más simple. El aparato consta de una base y una pieza que va dentro del reloj. La pieza dentro del reloj se registra con dos postes en la base y tornillos en su lugar para sostener la caja del reloj boca abajo.

Maquillé las piezas del accesorio a partir de trozos más grandes de aluminio y las dejé conectadas por pestañas. Después de mecanizar ambos lados, corté las lengüetas con una sierra de marquetería y las lijé para que queden lisas.

He incluido los archivos CAD de fusion360 que utilicé para hacer todas las piezas (incluida la caja del reloj y el interruptor lateral), pero use su propio criterio si intenta hacer las piezas. No soy responsable si algo sale mal y se rompe.

Una sugerencia para hacer que los accesorios sean más precisos: primero mecanice cualquier pieza que interactúe con la máquina y luego colóquela en el lugar final y luego mecanice hasta las dimensiones finales. Esto asegura que muchos pequeños errores no se agraven y mantengan la caja del reloj en el lugar equivocado. Este conocimiento te lo trajo una pila de chatarra de aluminio.

Paso 5: mecanizado de la carcasa

El blanco de aluminio inicial se puede ver en la primera imagen. Utilizo una sierra de perforación de 1-1 / 4 para quitar el centro, esto ahorra bastante tiempo de mecanizado.

Como se mencionó en el paso anterior, hay 3 configuraciones para mecanizar la carcasa. La primera configuración después del mecanizado se ve en la imagen 2. Primero uso una fresa de 1 1/8 "(plana en la parte inferior) para eliminar la mayor parte del material. Luego cambio a una fresa de 1/32" para cortar los 4 tornillos agujeros. Para cortar las roscas en los orificios de los tornillos, luego uso un molino de roscas M1.6 (de Harvey Tools). La configuración específica que utilizo está contenida en el archivo CAD Fusion360.

La imagen 3 muestra la segunda configuración con el mecanizado terminado y la cuarta imagen muestra la tercera configuración antes del mecanizado.

La segunda configuración se mecaniza con una fresa de extremo de 1/8 "para eliminar la mayor parte del material rápidamente, luego utilizo un molino de bolas de 1/8" (extremo redondo) para cortar las superficies curvas. Las operaciones también son las mismas para la tercera configuración.

La segunda configuración requiere el uso de otra herramienta especializada, una sierra de corte de 3/4 con un eje modificado para que pueda encajar bien con el soporte de la caja del reloj. La sierra de corte gira a 16500 RPM y se mueve a 30 mm / min. Esta velocidad impulsa lo que el Othermill es capaz de hacer, por lo que podría ser necesario reducir su velocidad aún más. Este paso se muestra en el video de arriba.

Si está buscando obtener más información sobre los detalles sobre el mecanizado CNC, lo señalaré a NYC CNC en YouTube. Ellos hacen un mejor trabajo del que yo podría hacer aquí.

Solo como referencia para aquellos que saben lo que significa, los ajustes utilizados en el otro molino v2 para la fresa escariadora de 1/8 son 16400 RPM (163,5 m / min), 300 mm / min, 1 mm de profundidad de corte y 1,3 mm de ancho de Corte.

Debido a que el otro molino no tiene suficiente altura z para sostener el reloj de lado, necesito perforar manualmente los orificios para la correa del reloj y el orificio para el interruptor lateral. Para ayudar a ubicarlos en los lados del reloj de forma irregular, imprimí en 3D algunas guías, que se ven en las imágenes 5-7. Para ayudar a la precisión de la perforación, es importante introducir la broca lo más lejos posible en el portabrocas; esto hace que sea más difícil para el bit divagar.

El orificio del interruptor lateral tiene una forma no circular, por lo que debe perfeccionarse después de comenzar con el taladro, que se realiza con limas suizas. Usando calibradores mido el agujero actual y lo archivo a la dimensión correcta. El orificio debe estar a 4,6 mm de la superficie superior, a 3,8 mm de la superficie inferior y a 25,8 mm del punto más alejado de cada orejeta. Sugiero ver Clickspring en YouTube en busca de inspiración mientras llena el agujero.

Paso 6: mecanizado del interruptor lateral

Los archivos utilizados en este paso se incluyeron en el archivo zip en la configuración de mecanizado.

El interruptor lateral está mecanizado de manera muy similar a la caja MechWatch. Se muele con una fresa de extremo de 1/8 "usando los mismos ajustes que la caja. A continuación, use un molino de bolas de 1/8" en las superficies curvas, los mismos ajustes que antes.

La segunda configuración se ve en las imágenes 3-4 antes y después del mecanizado. Molino de extremo de 1/8 ", molino de bolas de 1/8", molino de extremo de 1/32 "y luego molino de rosca M1.6 (hay un orificio roscado para sujetarlo al interruptor en el tablero).

Mecanografío el interruptor de una pieza de aluminio más grande por dos razones. La primera razón es para poder sujetar los lados y no fresar accidentalmente la pieza que la sostiene. El segundo es para que cuando lo coloque en la ranura para la tercera operación aún se pueda sujetar (ver imagen 5).

Paso 7: mecanizado de la parte posterior de la caja

La parte inferior del reloj está hecha de acrílico, no debe ser metálica debido a la carga inductiva. Utilizo algunos recortes de aluminio para separarlo del borde (cada uno de 12,7 mm de grosor) y cinta adhesiva de doble cara para mantenerlo en su lugar.

Debido a que el plástico es mucho más fácil de mecanizar que el aluminio, es posible ser más agresivo con los ajustes del CNC. Comenzando con una fresa de extremo de 1/8 ", los ajustes son 16500 RPM, velocidad de corte de 600 mm / min, profundidad de corte de 1,5 mm y ancho de corte de 1 mm. Para cortar los detalles finos, utilice una fresa de extremo de 1/32" con el los mismos ajustes pero con una profundidad de corte de 0,25 mm y una anchura de corte de 0,3 mm.

Después de sacar un palillo de un tronco (debería usar un material más delgado, pero esto es lo que tengo) tengo el reloj terminado. Tiene la forma del electroimán cortada para mantener el reloj delgado.

Para sacarlo de la cama, coloco una llave Allen en la ranura en T y levanto suavemente, moviéndome al siguiente punto cuando comienza a aflojarse.

El paso final es tomar una broca y avellanar suavemente los agujeros en la parte inferior. Hago esto girando la broca a mano. Me resulta más fácil mantenerme centrado y bajo control.

Nuevamente, los archivos utilizados en este paso se incluyeron en el archivo zip en la configuración de mecanizado.

Paso 8: Montaje del reloj

Este es el paso más gratificante, tomar todas las piezas y ensamblarlas en el reloj final. Todas las partes dispuestas (menos la correa de reloj de 24 mm de ancho y las barras de resorte de liberación rápida de 24 mm de largo y 1,5 mm de diámetro) se ven en la imagen 1.

La primera parte es complicada ya que las juntas tóricas de 40 mm de diámetro que pedí están más cerca de 37 mm, por lo que deben estirarse e instalarse rápidamente. Use el extremo de una llave Allen de bola para presionarlo en su lugar haciéndolo rodar a lo largo de la ranura como se ve en la imagen 2.

Cuando la junta tórica esté colocada correctamente, presione firmemente el cristal (40 mm de diámetro y 1,5 mm de grosor) en la caja del reloj. La junta tórica debe mantenerla en su lugar mientras es casi invisible.

Ahora es el momento de instalar la electrónica. Primero, limpie el interior del cristal con un paño que no suelte pelusa y coloque los componentes electrónicos en la caja, prestando atención a la tecla para mantener la orientación recta. La PCB debe asentarse firmemente en la carcasa, pero si está suelta, puede asegurarse con una pequeña gota de superpegamento en la llave para mantenerla en su lugar.

Una vez que la electrónica está adentro, el interruptor lateral encaja a través del orificio y sobre el interruptor montado en la PCB. Un tornillo de fijación M1.6 mantiene las dos piezas juntas como se ve en la imagen 4.

A continuación, los cables más largos de la bobina deben doblarse y colocarse donde no froten ningún contacto eléctrico expuesto.

El penúltimo paso es cerrarlo todo y volver a colocar la caja de plástico con los 4 tornillos M1.6. Es importante prestar atención a que la forma de la parte posterior se alinee con la forma de la bobina. Puede que sea necesario modificar la ubicación del cable para que encaje mejor.

El último paso es colocar la correa del reloj usando las barras de resorte de liberación rápida (imágenes 8-9). Dependiendo de la banda elegida, puede ser necesario modificar la banda para trabajar con las barras de resorte. Para la banda de malla de tiburón que se muestra, utilizo cortadores de alambre para crear un pequeño orificio para acomodar el mecanismo de liberación rápida.

Paso 9: Notas finales

¡El reloj ya está terminado!

Solo un par de notas: el interruptor lateral puede volverse un poco pegajoso a veces, para solucionar esto puede ser necesario agrandar el orificio o ajustar la ubicación del interruptor aflojando el tornillo de fijación, sosteniendo el interruptor cerca del cuerpo y volviendo a apretar el tornillo.

Para cargar el reloj, hice un soporte de carga personalizado basado en el cargador Adafruit Qi (https://www.adafruit.com/product/2162) que se ve en la segunda imagen, pero ese es un tema para otro momento.

Cualquiera que sea el cargador elegido, es importante tener en cuenta que no puede haber metal entre la bobina y el cargador. Debido a que la banda que elegí es de metal, debe rodear el cargador.

Gracias por leer hasta el final, espero que hayas aprendido algo. Estoy feliz de compartir el MechWatch después de meses en la fabricación.

Primer premio en el concurso de relojes