Как сделать механические цифровые часы своими руками

В данной статье мы сделаем «Механические часы» своими руками с пошаговой инструкцией изготовления и видео.

Описание

Механические часы — это часы, которые я разработал, чтобы иметь преимущества Arduino с точки зрения гибкости, но я хотел, чтобы они выглядели и чувствовались настолько профессионально, насколько я мог. С этой целью в этом учебном пособии используется довольно продвинутая электроника для поверхностного монтажа (без открытых соединений с припоем) и фрезерное оборудование с ЧПУ.

Я начну с того, как читается время, с иллюстрации на втором рисунке. Есть два светодиодных кольца, одно — часовая стрелка, а другое действует как минутная стрелка, указывая от 1 до 12, как на аналоговом циферблате. Поскольку минутная стрелка может двигаться только с шагом 5 минут, есть 4 отдельных светодиода, которые показывают любые минуты. В качестве примера на третьем рисунке показаны часы с показом 9:41.

Взаимодействие с часами осуществляется с помощью двухстороннего переключателя на стороне, которая скользит в направлении выступов (вперед / назад). Чтобы установить время:

1. Нажмите и удерживайте выключатель, пока не погаснет свет. Когда он отпущен, время будет мигать, и переключатель можно нажимать вверх / вниз, чтобы изменить час.

2. Нажмите и удерживайте переключатель снова, пока не погаснут огни, чтобы переключиться на настройку минут таким же образом.

3. Нажмите и удерживайте переключатель, пока свет не выключится снова, чтобы сэкономить время

4. Если вы слишком долго ждете, устанавливая время, не нажимая кнопку, часы просто перейдут в спящий режим без сохранения изменений

Это инструктируемое описание того, как сделать все часы, и предоставляет все необходимые исходные файлы.

Схема электроники

электросхема механических часов
вид печатной платы сверху и снизу

Этот шаг обрисовывает в общих чертах специфику электроники. Первое изображение — электрическая схема, показывающая, как все части выделены. Второе изображение показывает, как устроена доска, вид сверху — красная, а нижняя — синяя.

Я хотел, чтобы верхняя часть печатной платы была относительно чистой, с единообразным дизайном, поэтому я поставил микроконтроллер посередине и расположил вокруг него RTC, Crystal и резисторы. Светодиоды окружают снаружи, и даже следы вокруг наружного зеркала выглядят эстетически круглыми.

Для сопряжения светодиодов с микроконтроллером они могут быть расположены в виде сетки, требующей 12 цифровых выводов ввода / вывода для управления ими. Также я хочу использовать часы реального времени (RTC) для сохранения времени, чтобы я мог перевести микроконтроллер в глубокий сон для экономии энергии. RTC потребляет значительно меньше энергии, чем микроконтроллер, обеспечивая до 5 дней между зарядками. Для связи с микроконтроллером RTC требуется связь I2C. Я выбрал ATMEGA328P, потому что он удовлетворяет этим требованиям, и я уже знаком с его использованием (он также используется во многих Arduinos).

Для взаимодействия с часами пользователю нужен какой-то переключатель, поэтому я нашел двухсторонний скользящий переключатель, который возвращается в центр с помощью пружин. Внешний скользящий переключатель крепится к электрическому переключателю с помощью установочного винта.

Я решил использовать литиевую батарею для питания всего и индуктивную зарядку Qi, чтобы перезарядить ее. Я хотел избежать использования каких-либо разъемов для подзарядки часов, потому что они представляют собой отверстия для впуска грязи и воды и, вероятно, со временем будут корродировать, находясь так близко к коже. Прочитав больше информационных листов, чем кто-либо мог бы пожелать, я остановился на BQ51050BRHLT. Он имеет хорошие справочные схемы и встроенное зарядное устройство для литиевых батарей (пространство за дополнительную плату).

Так как не было никакого хорошего способа расположить зарядную электронику Ци сверху, мне пришлось положить ее на заднюю часть платы вместе с аккумулятором. Переключатель также расположен сзади, но это потому, что это лучшее место для подключения внешнего переключателя.

Сборка электроники

необходимые компоненты
вид печатной платы часов
трафарет выровнен по доске
смазывание паяльной пасты в отверстия трафарета
размещенные детали
пайка деталей
маркировка светодиодов

Я расположил почти все элементы электроники на первой картинке. Я пропустил несколько конденсаторов и резисторов, потому что все они очень похожи и их легко перепутать или потерять.

Чтобы нанести припой на контактные площадки, я буду использовать трафарет для припоя. Я быстро сделал держатель на втором рисунке, чтобы выровнять печатные платы под трафаретом, но есть несколько более простых вариантов, самым простым из которых является лента.

На третьем рисунке трафарет выровнен по доске. На четвертом рисунке показано смазывание паяльной пасты в отверстия трафарета. Важно, чтобы трафарет был поднят прямо вверх после нанесения припоя. На этой фотографии также показан самодельный способ, которым я делаю это, потому что я никогда раньше не использовал трафарет. В следующий раз я бы не стал покупать рамку. Было бы проще просто прикрепить меньший лист вдоль одного края без рамки, жить и учиться.

Теперь утомительное и сложное задание; поместите каждую из частей на доске с помощью пинцета. Рисунок 5 показывает размещенные детали, а рисунок 6 показывает их пайку.

На видео вместо 6-го снимка показан процесс пайки. Я использую паяльную станцию ​​с горячим воздухом, настроенную на 450 ° C, чтобы расплавить припой, не повредив детали, в качестве альтернативы можно использовать печь для пайки, чтобы сделать то же самое. После пайки дна используйте мультиметр, установленный в режим непрерывности, чтобы проверить наличие коротких замыканий между соседними контактами на ИС. Когда короткое замыкание найдено, используйте паяльник, чтобы вытащить его из чипа и сломать его.

При такой пайке важно медленно нагревать плату в течение пары минут, прежде чем приступать к расплавлению. В противном случае термический удар может разрушить детали. Я бы посоветовал взглянуть на более подробные инструкции, если вы не знакомы с этим методом.

Далее необходимо подключить катушку к 2-х проводному разъему и удерживать ее над зарядным основанием. Если все прошло хорошо, зеленый индикатор зарядки должен включиться примерно на секунду, а затем выключиться. Если батарея подключена, зеленый индикатор зарядки должен оставаться включенным до завершения зарядки.

После того, как зарядка работает как положено, это тот же процесс, чтобы припаять верхнюю сторону платы. Примечание для светодиодов на рисунке 7, есть небольшая маркировка в нижней части светодиодов, чтобы показать ориентацию. Сторона, в которую выходит маленькая линия, является узким концом треугольника на схеме светодиода. Важно проверить это для каждого используемого вами светодиода для поверхностного монтажа, поскольку маркировка может отличаться у разных производителей.

Программирование и тестирование электроники

Используйте AVRISP mkII для программирования микроконтроллера (нажмите и удерживайте Shift при нажатии кнопки загрузки в IDE Arduino). Можно также использовать его, чтобы просто записать загрузчик как обычно и использовать последовательное соединение на задней панели часов с кабелем FTDI. Но, обходя загрузчик и программируя напрямую с помощью AVR ISP mkII, код запускается быстрее при включении питания.

Я также приложил код к этому шагу. Если кто-то захочет посмотреть более подробно, я прокомментировал код, чтобы объяснить, что делает каждая часть. Общая структура кода является конечным автоматом. Каждое состояние имеет кусок кода, который он выполняет, а также условия для перехода в другое состояние.

Большая часть кода, управляющего выводами ввода / вывода, напрямую управляет регистрами, его немного сложнее читать, но его выполнение может быть в 10 раз быстрее, чем digital.Write или Read.

Скачать код можно по прямой ссылке здесь.

Настройка обработки

Настройка программного обеспечения для обработки
Программное обеспечение для второй установки

Настройка обработки для корпуса часов довольно сложна и требует хорошей подготовки.

Мельница, которую я использую, — это Othermill v2 (теперь называется Bantam Tools) с комплектом зажима для пальцев. Зажимы позволяют удерживать заготовку с боков, которые я использую для первой настройки.

Механическая обработка часов выполняется в три этапа. На первой установке только исходный материал прикреплен к станине ЧПУ, и мельница вырезает внутреннюю форму часов и удаляет немного поверхности. Настройка программного обеспечения для обработки показана на 3-м рисунке.

Вторая установка требует специального приспособления для удержания корпуса часов изнутри, так что можно вырезать всю верхнюю внешнюю форму часов. Пользовательский прибор можно увидеть на первом изображении, а на втором изображении в разобранном виде. Небольшой центральный элемент имеет резьбовое отверстие, поэтому, когда винт затянут, он поднимает элемент и вдавливает две боковые части в корпус часов, удерживая его на месте. Программное обеспечение для второй установки показано на рисунке 4.

Третья установка требует другого специального приспособления, чтобы держать часы; этот немного проще. Светильник состоит из основания и детали, которая идет внутрь часов. Часть внутри часов регистрируется с двумя стойками на основании и винтами на месте, чтобы держать корпус часов вверх ногами.

Я обработал детали из больших кусков алюминия и оставил их соединенными защелки. После того, как обе стороны обработаны, я вырезал язычки спиральной пилой и зашлифовал их ровно.

Я включил CAD-файлы fusion360, которые я использовал для изготовления всех деталей (включая корпус часов и боковой переключатель), но при попытке изготовить детали используйте свое собственное мнение. Я не несу ответственности, если что-то пойдет не так и сломается.

Подсказка для того, чтобы сделать приборы более точными: сначала обработайте любую деталь, которая соединяется с машиной, затем поставьте ее на конечное место, а затем обработайте до конечных размеров. Это гарантирует, что многие мелкие ошибки не составят и держат корпус часов в неправильном месте.

CAD — файл можно скачать здесь.

Обработка корпуса

Исходная алюминиевая заготовка
Первая настройка после обработки
вторая установка с окончанием обработки
третья установка перед обработкой

Исходная алюминиевая заготовка видна на первом рисунке. Я использую 1-1 / 4″ кольцевую пилу, чтобы удалить центр, это экономит немного времени обработки.

Как упоминалось в предыдущем шаге, есть 3 настройки для обработки корпуса. Первая настройка после обработки показана на рисунке 2. Сначала я использую концевую фрезу 1 1/8″ (плоская на дне), чтобы удалить большую часть материала. Затем я переключаюсь на концевую фрезу 1/32″, чтобы отрезать 4 винта. отверстия. Для нарезания резьбы в отверстиях под винты я использую резьбовую фрезу M1.6 (от Harvey tools). Конкретные настройки, которые я использую, содержатся в файле Fusion360 CAD.

На рисунке 3 показана вторая установка с окончанием обработки, а на четвертом рисунке показана третья установка перед обработкой.

Вторая установка обрабатывается с использованием концевой фрезы 1/8″ для быстрого удаления большей части материала, а затем я использую шаровую фрезу 1/8″ (с круглым концом) для резки изогнутых поверхностей. Операции одинаковы и для третьей установки.

Вторая установка требует использования другого специализированного инструмента, 3/4″ продольной пилы с модифицированной оправкой, чтобы она могла плотно прилегать к держателю корпуса часов. Продольная пила вращается со скоростью 16500 об / мин и движется со скоростью 30 мм / мин. Эта скорость подталкивает то, на что способен Othermill, поэтому может потребоваться еще больше замедлить его. Этот шаг показан на видео выше.

Просто для справки для тех, кто знает, что это значит, настройки, используемые на othermill v2 для концевой фрезы 1/8 «, составляют 16400 об / мин (163,5 м / мин), 300 мм / мин, глубина резания 1 мм и ширина 1,3 мм. резать.

Поскольку у другой мельницы недостаточно высоты z, чтобы удерживать часы на боку, мне нужно вручную просверлить отверстия для ремешка для часов и отверстие для бокового переключателя. Чтобы помочь найти их по сторонам часов неправильной формы, я 3D напечатал несколько направляющих, показанных на рисунках 5-7. Чтобы повысить точность сверления, важно, чтобы буровое долото было как можно дальше вставлено в патрон; это затрудняет блуждание.

Отверстие для бокового переключателя имеет некруглую форму, поэтому оно требует доработки после начала сверла, которое выполняется с использованием швейцарских файлов. Используя штангенциркули, я измеряю текущее отверстие и заполняю его до правильного размера. Отверстие должно находиться на расстоянии 4,6 мм от верхней поверхности, 3,8 мм от нижней поверхности и 25,8 мм от самой дальней точки каждого выступа.

Обработка бокового переключателя

зажатый переключатель

Файлы, использованные на этом этапе, были включены в zip-файл еще в настройке обработки.

Боковой переключатель обработан очень похоже на корпус MechWatch. Фрезерование осуществляется с помощью концевой фрезы 1/8 «с использованием тех же настроек, что и в случае. Затем следует использовать шаровую фрезу 1/8» на изогнутых поверхностях, те же настройки, что и раньше.

Вторая настройка показана на рисунках 1-2 до и после обработки. Концевая фреза 1/8 «, шаровая фреза 1/8», концевая фреза 1/32 «, а затем резьбовая фреза M1.6 (имеется резьбовое отверстие для крепления ее к переключателю на плате).

Я делаю выключатель из более крупного куска алюминия по двум причинам. Первая причина в том, что я могу зажать стороны и не случайно фрезеровать кусок, удерживающий его. Во-вторых, когда я помещаю его в слот для третьей операции, он все еще может быть зажат (см. Рисунок 3).

Обработка нижний части корпуса

обработка задней части корпуса

Дно часов выполнено из акрила, оно должно быть неметаллическим из-за индуктивной зарядки. Я использую несколько алюминиевых вырезов, чтобы отделить его от края (каждый толщиной 12,7 мм), и двухстороннюю ленту, чтобы удержать его на месте.

Поскольку пластик гораздо легче обрабатывать, чем алюминий, с настройками ЧПУ можно быть более агрессивным. Начиная с концевой фрезы 1/8″, настройки: 16500 об / мин, скорость резания 600 мм / мин, глубина резания 1,5 мм и ширина реза 1 мм. Для резки мелких деталей используйте концевую фрезу 1/32″ с теми же настройками, но глубина резания 0,25 мм и ширина резания 0,3 мм.

После извлечения зубочистки из бревна (я должен использовать более тонкую заготовку, но это то, что у меня есть), я вернул часы обратно. Он имеет вырезанную форму электромагнита, чтобы держать часы тонкими.

Чтобы снять его с кровати, я вставил шестигранный ключ в Т-образный паз и осторожно приподнял его, переходя к следующей точке, когда он начинает ослабевать.

Последний шаг — взять сверло и аккуратно утопить отверстия на нижней стороне. Я делаю это, поворачивая сверло вручную. Мне легче держать в центре и под контролем.

Снова файлы, использованные на этом этапе, были включены в zip-файл обратно в настройке обработки.

Монтаж компонентов

Все расположенные детали
торцевой шаровой шестигранный ключ
Установочный винт M1.6 удерживает две части вместе
сбор платы в корпусе
задняя панель часов
передняя панель часов

Это самый полезный шаг — собрать все детали и собрать их в финальные часы. Все расположенные детали (за исключением часового ремешка шириной 24 мм и быстродействующих пружинных стержней диаметром 1,5 мм длиной 24 мм) показаны на рисунке 1.

Первая часть сложная, так как заказанные мной уплотнительные кольца диаметром 40 мм на самом деле ближе к 37 мм, поэтому их нужно быстро растянуть и установить. Используйте торцевой шаровой шестигранный ключ, чтобы прижать его на месте, катя его вдоль канавки, как показано на рисунке 2.

Когда уплотнительное кольцо установлено правильно, плотно прижмите кристалл (диаметр 40 мм, толщина 1,5 мм) в корпус часов. Уплотнительное кольцо должно удерживать его на месте, будучи почти невидимым.

Теперь пришло время установить электронику. Сначала протрите внутреннюю поверхность кристалла безворсовой тканью и поместите электронику в корпус, обращая внимание на ключ, чтобы сохранить ориентацию прямо. Печатная плата должна плотно прилегать к корпусу, но если она не закреплена, ее можно закрепить с помощью небольшой капли супер-клея на ключе, чтобы удержать ее на месте.

После включения электроники боковой переключатель проходит через отверстие и над переключателем, установленным на печатной плате. Установочный винт M1.6 удерживает две части вместе, как показано на рисунке 3.

Затем, более длинные кабели на катушке необходимо сложить и заправить так, чтобы они не терли электрические контакты.

Предпоследний шаг — закрыть все это и снова прикрепить пластиковый корпус с помощью 4 винтов M1.6. Важно обратить внимание, что форма на спине совпадает с формой катушки. Может быть необходимо настроить расположение проводов, чтобы они лучше подходили.

Последний шаг — прикрепить ремешок для часов с помощью быстросъемных пружинных планок (рисунки 7-8). В зависимости от выбранной полосы может потребоваться модификация полосы для работы с пружинными стержнями. Для показанной ленты акулы я использую кусачки, чтобы создать небольшое отверстие для механизма быстрого выпуска.

Заключительные замечания

готовые механические часы своими руками

Часы теперь закончены!

Просто пара замечаний: боковой переключатель может время от времени становиться немного липким, чтобы исправить это, возможно, потребуется увеличить отверстие или отрегулировать положение переключателя, ослабив установочный винт, удерживая переключатель близко к корпусу и повторно затянув винт.

Независимо от того, какое зарядное устройство выбрано, важно отметить, что между катушкой и зарядным устройством не может быть металла. Поскольку группа, которую я выбрал, является металлом, она должна обойти зарядное устройство

Спасибо, что дочитали до конца, надеюсь, вы чему-то научились. Я рад поделиться «Механическими часами» после нескольких месяцев в разработке.

Как сделать механические цифровые часы своими руками

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...