VizTimer: el rellotge de sorra electrònic: 28 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Quan el nostre fill tenia uns tres o quatre anys, vam començar a esperar que fes les coses de manera oportuna. Diria coses com ara "Hem d'anar en deu minuts!" O "Jugar amb aquest camió cinc minuts més i després donar una volta a algú més". El problema era (a) que no sabia llegir un rellotge, ni digital ni analògic, i (b) que no tenia cap idea de la durada d’un minut. Em vaig adonar que necessitava una manera clara de veure l’aspecte de cinc o deu minuts i poder fer un seguiment del temps restant. Per tant, em vaig proposar dissenyar i construir un temporitzador visual. Havia vist moltes variacions, inclòs el clàssic temporitzador d’ous, però em semblava que la metàfora de rotació no era intuïtiva per a nens molt petits: es tracta de mirar angles i fraccions d’un cercle. Un cop em vaig decidir per un disseny més lineal, la idea d’un rellotge de sorra electrònic semblava evident: proporciona la metàfora visual adequada i podria fer servir un acceleròmetre per implementar l’ergonomia de donar-li la volta per iniciar i aturar el temporitzador.

El meu disseny final, que us mostraré aquí, és relativament senzill. La part visual consisteix en una tira de LED RGB adreçables individualment (per exemple, WS2812). La programació s’aconsegueix amb un sol botó (un botó tàctil capacitiu, perquè és pla). Un microcontrolador compatible amb Arduino (un Adafruit Metro) executa el programa i llegeix informació d’orientació des d’un acceleròmetre analògic de 3 eixos. L’alimentació la proporciona una bateria recarregable extreta d’un banc d’alimentació del telèfon (un ió de liti estàndard 18650). El més interessant del banc de potència és que inclou el circuit de càrrega, un port micro-USB i que genera 5V, que és el que esperen el microcontrolador i la tira LED.

Depenent del vostre nivell d’experiència, probablement pugueu fer aquest temporitzador en un o dos caps de setmana. Necessitareu habilitats bàsiques de soldadura i les eines i subministraments associats. La variable més gran és el recinte: tinc eines elèctriques per treballar la fusta que faciliten aquest treball, però també parlaré de maneres alternatives de construir el recinte sense moltes eines.

Pas 1: materials i eines

MATERIALS

Per a l'electrònica:

• Banc d’alimentació portàtil per a mòbils (amb bateria de 18650 cilindres): l’interval de preus és enorme, però no pagueu més de 10 dòlars
• Interruptor basculant de 2 pins: una cosa així:
• Terminals per a l’interruptor: és útil un kit:
• Microcontrolador AVR: potència de 5V amb almenys tres entrades analògiques. L’Adafruit Metro Mini és perfecte.
• Acceleròmetre de 3 eixos: Adafruit ven un tauler ADXL335.
• Botó tàctil capacitiu: Adafruit ven un tauler de botons complet.
• Tauleta de prototipatge petita (una amb rails elèctrics): les taules Adafruit Perma-proto són de bona qualitat
• Petit connector d'alimentació JST, com aquest:
• Banda LED RGB adreçable (per exemple, WS2812): obteniu la cinta 144 LED / metre:
• Cable Dupont de 3 fils amb connector femella
• Cable de connexió (calibre 24 i 26)

Per al recinte

• Fusta en blanc (com a mínim 1,25 polzades de gruix) O Fusta contraxapada de diversos gruixos
• Franja de fusta per a la part superior i inferior (0,25 polzades de gruix)
• Làmina petita de plexiglàs o acrílic
• Full de material de difusió: les estores fines de plàstic són excel·lents:
• Cargols # 6, cap pla i cap de paella, 5/8 polzades
• Goma laca Zinsser, poliuretà rentable
• Cinta, cola, paper de vidre

EINES

• Talladors de filferro i peladors
• Soldador
• Hack saw
• Serres de fusta
• Broca, broques, inclosa la broca d’avellir
• Cisells i llimes
• Tallador de plexiglàs o ganivet utilitari

FUSTA

• Serra de taula
• Serra de cinta
• Sabre va veure
• Premsa de trepant

Pas 2: prepareu la bateria

El primer pas és separar el carregador portàtil i treure el connector USB A. Aquests dispositius són força senzills: tenen una bateria de ions de liti 18650 i una petita placa que conté els circuits de càrrega i descàrrega. Normalment hi ha dos endolls: un micro-USB per carregar la bateria (entrada) i un USB A més gran per proporcionar energia als cables de càrrega del telèfon (sortida). Utilitzarem la sortida per alimentar el temporitzador, de manera que no és necessari el connector USB A. Utilitzeu una combinació de soldador i alicates per eliminar-lo.

NOTA: Aneu amb compte de no danyar els cables que queden al tauler. Haurem d’utilitzar els dos exteriors.

Pas 3: afegiu els connectors d'alimentació

Comenceu soldant un cable de 24AWG a cadascun dels cables d’alimentació on hi havia el connector USB A. Utilitzo el vermell i el negre per ajudar-me a recordar quin és el poder (5V) i quin és el sòl. Al costat d’alimentació, afegiu un terminal que s’adapti als cables de l’interruptor d’alimentació. Prepareu un segon cable vermell amb un terminal en un extrem.

Si connecteu els dos terminals a l’interruptor, hauríeu de deixar dos extrems de cables: un de vermell i un de negre. Uniu-los a un costat d'un connector JST. M’agraden els connectors JST per a connexions d’alimentació perquè la forma del connector impedeix connectar-lo de manera incorrecta i fregir el circuit.

Prepareu un cable negre i vermell amb l’altra cara del connector JST.

Assegureu-vos que els cables siguin prou llargs per arribar al llarg del temporitzador (vegeu les fotos posteriors). És fàcil de retallar o simplement fer coses amb filferro addicional.

Pas 4: munteu la placa de control

La placa de control és bastant senzilla, però hi ha alguns detalls a tenir en compte. Comenceu per un proto ampli perma-proto que té el mateix patró de cablejat de pins que una placa de pa estàndard (tingueu en compte els rails d’alimentació). Retalleu-lo com sigui necessari per fer-lo el més petit possible, deixant els rails elèctrics i els forats de passadors suficients per afegir els cables de connexió necessaris.

Soldeu el microcontrolador i l’acceleròmetre a la placa mitjançant capçaleres estàndard. Tingueu en compte l'orientació de les dues taules:

• Assegureu-vos que el connector micro-USB estigui situat a la vora de la placa, de manera que pugueu accedir-hi per programar-lo.
• Tingueu en compte l'orientació de l'acceleròmetre perquè aquesta elecció determinarà el que considera "amunt" vs "avall".

Pas 5: potència del cable i acceleròmetre

Decidiu quins dels carrils elèctrics seran de 5V i quins es posaran a terra. Afegiu petits segments de filferro des dels carrils elèctrics a la xarxa elèctrica i de terra de les dues taules de ruptura.

Afegiu tres cables per connectar les tres sortides de l’acceleròmetre a tres pins d’entrada analògica del microcontrolador. En la configuració, vaig connectar la sortida X a A2, la sortida Y a A1 i la sortida Z a A0.

Pas 6: Connecteu el connector d'alimentació

Soldeu el costat lliure del conjunt del connector JST a la placa de control. Presteu atenció a la polaritat: assegureu-vos que el cable vermell estigui soldat al rail d'alimentació de 5V i el negre al rail de terra.

Pas 7: connecteu la tira LED

En aquest pas, decidireu la mida total del temporitzador, ja que volem que la tira LED tingui una longitud completa. Vaig triar una tira LED amb 30 LEDs amb una densitat de 144 LED / metre. L'alçada total és d'aproximadament 8 1/2 polzades. Vaig disposar totes les parts a la branca de fusta per assegurar-me que encaixés.

La majoria d’aquestes tires es poden tallar a qualsevol llargària; només cal que assegureu-vos de tallar-les al punt especificat on queden exposades les pastilles. Soldeu tres cables als coixinets exposats a l’extrem d’entrada de la tira. La majoria de tires tenen algun tipus d’indicador, com una fletxa petita, que mostra la direcció del recorregut de les dades. Es pot connectar l’alimentació a qualsevol dels dos extrems, però les dades han d’anar en la direcció adequada per la banda.

Assegureu-vos que els cables siguin prou llargs perquè es puguin enrotllar des de la part frontal del temporitzador fins a la placa de control. Soldeu els cables d’alimentació als rails d’alimentació de la placa de control i soldeu el cable de dades a un dels pins digitals del microcontrolador.

Pas 8: afegiu el botó tàctil capacitiu

Igual que l’interruptor d’alimentació, el botó tàctil capacitiu necessita un connector extraïble per la forma en què està connectat al temporitzador. La meva estratègia aquí és soldar capçaleres rectes al botó i després soldar un cable Dupont de tres fils al tauler de control. El connector Dupont "femella" s'adapta perfectament a l'espaiat dels passadors de capçalera.

Soldeu els cables d’alimentació i de terra als rails del tauler de control, com heu fet per a la tira LED. Connecteu la línia de dades (que es llegeix "alta" quan es prem el botó) a un dels pins d'entrada digitals del microcontrolador.

El circuit complet es mostra a la fotografia final. En aquest moment, podeu engegar-lo i, si voleu, penjar el codi i provar-lo.

Pas 9: col·loqueu el recinte

El meu recinte es fabrica principalment amb una llosa d’auró d’uns 8 1/2 polzades de llarg, 2 1/2 polzades d’amplada i 1 1/4 de polzada de gruix. Utilitzeu la tira LED com a guia per tallar la longitud, afegint una 1/8 de polzada addicional per a cables i espai lliure.

L'electrònica hauria de quedar còmoda a la llosa de fusta, amb la bateria i l'interruptor a la meitat inferior i el tauler de control a la meitat superior. El temporitzador final realment tindrà dos espais tancats separats per a aquests components.

Pas 10: Recintes alternatius

M’adono que no tothom té les eines necessàries per fer el recinte descrit en els propers passos. Hi ha algunes alternatives que encara surten molt agradables.

Una estratègia que donarà lloc a un recinte molt agradable i d’aspecte modern és tallar trossos de fusta contraxapada en les formes necessàries i enganxar-los com un sandvitx. Aquest enfocament es pot aconseguir amb només algunes eines manuals. Podeu obtenir petites peces de fusta contraxapada d’alta qualitat de diversos gruixos a les botigues de subministraments per a aficions i art.

Pas 11: Traieu la part frontal

En el meu primer prototip d’aquest temporitzador, vaig foradar i cisellar els espais per a l’electrònica, que va resultar ser un dolor enorme i mai no vaig poder aconseguir que quedés completament net. En lloc d’això, he tornat a veure la fusta en blanc, és a dir, la he tallat en dues taules de la mateixa mida, però de gruixos diferents. La part prima es converteix en el front sòlid, que la part més gruixuda es converteix en la part que sosté l’electrònica.

Per assegurar-me que els espais siguin prou grans, faig servir el gruix de la bateria per determinar on es talla. Aquest pas es pot fer amb una serra de mà, però fer servir una serra de cinta fa que sigui més fàcil i precís.

SUGGERIMENT: Marqueu l'extrem del tauler amb un triangle o una altra marca just després de tallar-lo, d'aquesta manera podreu recordar amb exactitud com tornen junts els dos taulers.

Pas 12: dissenyeu i reduïu espai per a l'electrònica

Treballant amb la part gruixuda, vaig traçar la forma rugosa del temporitzador. Les parets del recinte tindran un gruix d’uns 3/8 polzades. Utilitzeu l’electrònica com a guia per a la mida dels espais: la bateria ha d’adaptar-se a l’espai inferior i la placa de control ha d’adaptar-se a l’espai superior.

Comenceu perforant els racons dels espais. Eliminarem completament aquests rectangles, que és un treball ràpid amb una serra de sable. Netejar les vores amb una llima i / o paper de vidre.

Ara podeu muntar en sec el recinte i assegurar-vos que l’electrònica s’adapti realment.

Pas 13: Tallar forats per als connectors

És molt més fàcil tallar els forats de l’interruptor d’alimentació i del micro USB (per carregar) abans d’enganxar el conjunt. Mesureu amb l’interruptor i la placa de càrrega reals i talleu amb una serra petita. Netejar-lo amb fitxers per aconseguir un ajust ajustat.

També hem de tallar un canal entre les dues cambres del recinte per connectar l’alimentació. Podeu utilitzar qualsevol combinació de cisells i serres; aquesta part no ha de ser bonica perquè no serà visible. Però assegureu-vos que sigui prou ampli per permetre passar el connector JST.

Pas 14: enganxeu el recinte junts

Enganxeu els dos costats del recinte junts. Mireu atentament les vostres marques i el gra de fusta per assegurar-vos que les torneu a enganxar de la manera correcta. Voleu que el resultat final sembli que mai no heu tallat mai el tauler?

Em va semblar complicat mantenir les taules alineades en subjectar-les, de manera que vaig utilitzar una gran pinça paral·lela a la part superior i inferior per evitar que tot relliscés.

Pas 15: feu la part superior i inferior

Les peces superior i inferior poden tenir la mida i la forma que sigui i la fusta que vulgueu. L’únic requisit és que sigui prou gruixut com per acomodar el tauler capacitiu de botons tàctils capacitius.

La part que em va semblar més difícil d’aquest pas és que s’alineaven les peces quan vaig perforar els forats del cargol. La meva estratègia és perforar els forats de la part superior i inferior primer, després alinear-los i marcar els forats als extrems del temporitzador. Assegureu-vos que torneu a enfonsar els forats del cargol prou perquè els cargols no sobresurten; en cas contrari, el temporitzador oscil·larà quan intenteu aixecar-lo.

Encara vaig acabar amb parts lleugerament desgastades. Podeu solucionar aquest problema enganxant un escuradents al forat vell, esperant que s’assequi, tallant-lo i perforant un forat nou.

Pas 16: talla el recés del botó tàctil capacitiu

El botó tàctil capacitiu es troba al final del temporitzador més proper a la placa de control. Aquest és el final que apareixerà quan configureu el temporitzador i baixareu quan estigui en funcionament. Com passa amb els cargols, és important que el botó no sobresurti de la fusta, en cas contrari el temporitzador serà inestable quan el gireu.

Mesureu i talleu un forat prou gran per donar cabuda als passadors de la placa i al connector Dupont de 3 fils de la placa de control. Col·loqueu el botó en posició i traqueu el contorn del tauler. Mitjançant una combinació de perforació i cisellat, formeu un recés que permeti que el botó quedi prou baix, de manera que no interfereixi amb el temporitzador assegut. També em va semblar útil retallar els cables a la part superior del tauler per fer-los el més curts possible.

Pas 17: perforar forats al final del temporitzador per a cables

Tant el botó tàctil capacitiu com la tira LED necessiten cables que s’executin des de l’interior del recinte. Per fer-los espai, practiqueu dos forats a l'extrem del temporitzador fins a l'interior del recinte.

El primer forat fa espai per als tres cables que alimenten la tira LED. La forma no és crucial, però cal esculpir una mica la part frontal del temporitzador perquè es puguin doblar cap a la part davantera.

La segona retenció s'executa des del tauler de control fins al botó tàctil capacitiu. La posició i la mida d’aquest forat haurien de coincidir amb el forat que heu tallat al pas anterior. Alineu la part superior i marqueu el forat. Traieu i ciselleu fins que el connector Dupont de tres fils passi perfectament per connectar-se al botó.

Pas 18: tallar el suport de plexiglàs

La part posterior del temporitzador és de plexiglàs transparent, que conté l’electrònica i els mostra. Traça l’esquema del recinte i utilitza una eina de puntuació o un ganivet utilitari per puntuar el plexiglàs. Talleu la línia de puntuació unes quantes vegades per fer-la més profunda. Alineeu la línia de puntuació amb la vora de la taula i, amb un ràpid moviment cap avall, traieu la peça de plexiglàs. Ha de trencar-se netament.

Aquesta tècnica només funciona amb trencaments que travessen tot el plexiglàs, de manera que pot requerir dos trencaments per obtenir la mida adequada. Deixeu la pel·lícula protectora activada per ara.

Pas 19: perforació de forats per al suport

Alineeu el plexiglàs cap enrere i enganxeu-lo amb seguretat. Practicar un forat a cada cantonada per obtenir un cargol petit. He utilitzat cargols de capçalera número 6 de 5/8 . Aneu amb compte de no perforar massa a la fusta. Centreu els forats del cargol de la fusta disponible a cada cantonada per donar la màxima potència de retenció.

Pas 20: marqueu l'alineació posterior

Un dels problemes que he tingut en el passat és que oblido com es va orientar el plexiglàs quan vaig perforar els forats. Tanmateix, les petites diferències en el posicionament dels cargols sovint volen dir que no s’adaptaran de cap altra manera. En lloc d’imaginar, creo una marca que em diu exactament com s’haurien d’orientar les peces.

Abans de treure la cinta, utilitzeu una llima o una serra petita per tallar un divot asimètric a través del plexiglàs i la fusta. Aquesta marca només s’alinea quan les peces estiguin en la posició correcta.

Pas 21: tallar la forma del rellotge de sorra

Ara que el recinte està essencialment acabat, podem tallar la forma del rellotge de sorra. Les dimensions exactes no són crítiques, però assegureu-vos de no debilitar massa el recinte tallant a prop de les caixes interiors.

Mantenint la cinta, talleu la fusta i el plexiglàs alhora. He utilitzat una serra de cinta, però la majoria de serres manuals poden tallar els dos materials. Netegeu els talls amb llimes i paper de vidre.

Pas 22: Tallar la ranura per a la tira LED

La part frontal del temporitzador té una ranura per acomodar la tira LED, així com el material de difusió. Alineeu la tira LED i traqueu-ne el contorn sobre la fusta. Afegiu un conjunt de línies paral·leles d’entre 1/8 i 1/16 fora d’aquestes línies per marcar quan anirà el difusor.

Aquest pas és el més difícil sense les eines elèctriques adequades. Vaig utilitzar una serra de taula amb una fulla de tall per tallar un canal profund per als LED (les línies interiors). Assegureu-vos de no passar per l'interior del recinte. A continuació, vaig tallar un canal poc profund per al difusor (les línies exteriors). Feu la prova per ajustar la tira LED i assegureu-vos que els cables arriben còmodament al tauler de control.

Ja heu acabat gairebé!

Pas 23: sorra i acaba

Lijeu les tres parts de fusta amb paper de sorra de 220 o més. També m’agrada afegir un petit bisell al llarg de totes les vores de l’angle recte per donar un aspecte més refinat al recinte i fer-lo més agradable de mantenir.

Començo amb una o dues capes de laca, que s’enfonsa a la fusta i realça realment el gra. S'asseca ràpid, de manera que no caldrà esperar molt. Un cop sec, polit una mica amb 320 o 400 paper de vidre per uniformitzar la superfície. Però no us en excediu: encara hauríeu de poder veure alguns acabats brillants.

A continuació, aplico una capa o dues de poliuretà per netejar, que és un acabat resistent però atractiu. Podeu polir-lo lleugerament amb llana d’acer un cop estigui sec.

Pas 24: Munteu l'electrònica

Comenceu el muntatge final alimentant la tira LED des de l'interior del recinte fins al canal de la part frontal. Peleu la cinta adhesiva o utilitzeu una petita quantitat de cola per fixar la tira al canal.

A continuació, enganxeu en calent el botó tàctil capacitiu al recés de la part superior. Hauríeu de poder veure els passadors que surten per la part inferior. Assegureu-vos que el botó estigui a ras (o inferior) a la superfície de la part superior, de manera que el temporitzador no oscil·li.

Introduïu la bateria al compartiment inferior i introduïu el connector USB. Utilitzeu una mica de cola calenta per assegurar-vos que quedi segur a l’espai.

Afegiu el tauler de control al compartiment superior del recinte. Introduïu el connector JST des de la bateria pel canal amagat al centre del temporitzador. Connecteu-lo al connector JST de la placa de control.

Introduïu el connector Dupont de 3 fils del tauler de control pel forat de la part superior i connecteu-lo als pins de la part inferior del botó tàctil capacitiu.

Premeu el botó d’encesa / apagat pel forat del lateral del recinte (des de l’exterior) fins que quedi ben ajustat al seu lloc. Connecteu els dos terminals de cable als dos cables de l'interruptor.

Hauríeu de mostrar la configuració a la darrera foto.

Pas 25: Acabeu de muntar el recinte

Alineu el plexiglàs i fixeu-lo al seu lloc amb quatre cargols. Cargoleu les peces superiors i inferiors. Comproveu l’alineació de tot i assegureu-vos que el temporitzador quedi pla sobre la taula a qualsevol extrem.

Pas 26: afegiu el material de difusió

Talla una tira de material de difusió que sigui una mica més ampla que el canal al voltant de la tira LED. Això farà que el difusor inclini una mica, mantenint-lo al seu lloc sense cola i proporcionant més difusió. En general, a mesura que el difusor estigui allunyat del LED, més difús el fa.

Hi ha molts materials adequats. He utilitzat estores de tall de plàstic primes (barates a Amazon) i aquest "pòster" de plàstic (que és prim i disquet, i no "tauler" en absolut).

Pas 27: personalitzeu i pengeu el codi

Baixeu-vos el codi des de github.com/samguyer/VizTimer. També necessitareu la biblioteca FastLED, que proporciona els controladors de baix nivell per als LED. Les parts que és més probable que hagueu de canviar es trobin just a la part superior: els cinc pins (el pin LED, el pin tàctil capacitiu i els tres pins de l’acceleròmetre). És possible que també hàgiu de definir el nombre de LEDs de la tira.

No dubteu a explorar i modificar el codi.

Connecteu el tauler de control a l’ordinador i pengeu el codi. Haureu d’eliminar el suport de plexiglàs per accedir al connector micro-USB del microcontrolador.

Pas 28: com utilitzar-lo

L’objectiu d’aquest disseny era fer que l’ajust i el funcionament del temporitzador fossin el més senzill possible.

El temporitzador té tres modes: mode de programa, mode de temporització i mode de pausa. El mode està determinat per l'orientació del temporitzador: mode de programa quan el botó tàctil capacitiu és a la part superior, mode de temporitzador quan es troba a la part inferior i mode de pausa quan el temporitzador està al seu costat.

MODE DE PROGRAMA

Quan l'engegueu per primera vegada, veureu un "cursor" groc intermitent a la part inferior de la tira LED. Toqueu el botó capacitiu per afegir temps en increments de 15 segons. Cada 15 segons es mostra com un punt morat. Quan arribeu a 60 segons, els punts morats se substitueixen per un punt blau, que representa un minut. Manteniu premut el botó per afegir minuts contínuament fins que es deixi anar el botó. Cada punt de cinc minuts té un color blanc per facilitar la visualització del total.

MODALITAT DE TEMPORITZACIÓ

Si gireu el temporitzador, s'inicia el compte enrere. Tots els punts comencen il·luminats, independentment del temps total: aquesta va ser una opció de disseny per part meva. També podeu programar-lo de manera que cada punt sempre signifiqui la mateixa quantitat de temps.

Els punts cauen un a un fins que s’acaba el temps. A continuació, el temporitzador mostra un colorit "final" durant uns 15 segons. Per tornar al mode de programa, torneu a girar el temporitzador. Es tornarà a mostrar el cursor groc. Si torneu a iniciar el temporitzador immediatament sense programar-lo, utilitzarà el temps anterior.

Una bona addició a aquest temporitzador seria un petit altaveu per reproduir sons, sobretot un so d’alarma al final.

MODE DE PAUSA

Durant el mode de temporització, podeu posar en pausa el temporitzador girant-lo 90 graus i recolzant-lo al costat. Els punts de sincronització es congelen al seu lloc i polsen suaument per indicar que el temporitzador espera que es reiniciï. Torneu-lo enrere per continuar la sincronització, o viceversa, per tornar al mode de programa.

Espero que gaudiu d’aquest dispositiu tant com jo.