DIY一款既实用又时尚的二进制手表
本帖最后由 RRoy 于 2020-8-5 16:34 编辑!(data/attachment/forum/202005/14/112301ypulelusslluezpr.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/300 "4.png")
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如图所示，今天给大家介绍一个炫酷的项目——电子风满满的二进制手表，由瑞典电子爱好者Alex制作。这个项目在instructables的钟表类比赛中获得了一等奖。
**注：文中涉及的代码等资料，可以在文末左下角或者在“DF创客社区”公众号后台回复“Alex二进制手表”获取。**
最近一段时间，开始接触到一些关于二进制手表的知识，我也开始在搜寻相关的资料来尝试自己是不是也能做一个。但是，我发现很难找到一个既实用又时尚的设计，所以一气之下，我决定干脆自己从头开始设计一个。
## 创意
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灵感来源于下面这个视频：
https://www.bilibili.com/video/BV1Mt4y117eP/
想要做一个二进制手表第一步首先要确立一些设计标准，我想到了下面这些：
#### 建立设计标准
- 支持二进制RGB显示方式
- 支持时间显示（非常精确的计时）
- 支持日期显示
- 支持秒表功能
- 支持警报功能
- 长电池寿命
- 支持USB充电
- 软件可由用户轻松定制
- 设计简洁干净
这些标准成为了这整个项目设计的基础。下一步是会给大家说清楚我希望手表如何工作。
## 步骤2：简单的二进制呈现理论
#### BCD码（Binary-Coded Decimal）
> 用4位二进制数来表示1位十进制数中的0~9这10个数码，是一种二进制的数字编码形式，用二进制编码的十进制代码。BCD码这种编码形式利用了四个位元来储存一个十进制的数码，使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行。
该计划很简单。除了接口是二进制的（特别是BCD（二进制编码的十进制））之外，二进制监视的操作与常规监视相同。BCD是一种二进制编码，其中每个十进制数字都由固定位数表示。我需要4位才能代表0-9的数字。对于标准的hh：mm时间格式，我需要其中4位数字。这意味着我总共需要16个位，这些位将由16个LED表示。
习惯了，用BCD读取时间非常容易。手表底部的行代表最低有效位（1），顶部的行代表最高有效位（8）。每列代表hh：mm时间格式的数字。如果LED亮起，则计算该值。如果指示灯熄灭，则忽略它。
要读取第一个数字，只需将第一列（最左侧）中所有激活的LED对应的值相加即可。从左到右对其他数字执行相同的操作。现在您已经在BCD中阅读了时间！
对于手表上的其他功能，该原理相同。RGB LED的使用将有助于区分使用不同颜色的不同功能和模式。这使用户可以轻松浏览各个功能而不会感到困惑。
下一步是创建框图！
计划很简单。二进制手表将像普通手表一样工作，除了界面将是二进制显示的。
这里用到了BCD码。
#### BCD码（Binary-Coded Decimal）
> 用4位二进制数来表示1位十进制数中的0~9这10个数码，是一种二进制的数字编码形式，用二进制编码的十进制代码。BCD码这种编码形式利用了四个位元来储存一个十进制的数码，使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行。
8421BCD码是最基本和最常用的BCD码，它和四位自然二进制码相似，各位的权值为8、4、2、1，也称为有权BCD码。
我需要用4位来表示0-9中的数字。且对于标准HH:MM时间格式，我需要4个这样的数字。这意味着总共1需要16位，这里用16个LED表示。
一旦你习惯了用BCD读时间是很容易的。
手表底部一行表示最低有效位（1），顶部的行表示最高有效位（8）。每一列表示HH:MM时间格式中的一个数字。如果LED亮起，则计算该值。如果LED熄灭，则忽略它。
要读取第一个数字，只需将第一（最左边）列中所有亮着的LED对应的值相加即可。从左到右对其他数字执行相同的操作。
所以上面对应显示的时间就是13:47！
这一原则同样适用于手表的其他功能。
使用RGB LED原因是有助于区分使用不同颜色对应不同功能和模式。可以让使用者轻松地浏览这些功能，而不会混淆。
下一步，我们来创建框图。
## 步骤3：开始工作
与其他任何电子项目一样，框图是早期设计阶段的重要组成部分。
根据这些标准，我设法整理出了上面的框图。图中的每个方框表示电路中的一个功能，箭头表示这些功能之间的关系。整个框图很好地概述了电路的工作原理。
下一步是开始对框图中每个模块的各个组件进行决策！
## 步骤4：选择组件
在这个电路中有相当多的元件。下面，我挑选了一些最重要的部分，来解释我为什么选择它们。
#### LED
对于二进制显示界面，选择相当简单。我知道我想用LED来显示，并发现我需要16个LED（在4×4的网格中）来显示尽可能多的信息。
在我寻找可以完美呈现LED的过程中，APA102出现了。它是一种非常小（2mm X 2mm）的可寻址LED，颜色范围很广，而且相当便宜。尽管我以前从未和他们合作过，但它们似乎非常适合这个项目，所以我决定使用它们。
#### 微控制器
微控制器的选择也很简单。
我有丰富的使用ATmega328P-AU的经验，对它的功能也很熟悉。
这与Arduino Nano板上使用的微控制器相同。
我知道会有更便宜的微控制器，但是介于Atmega328完全支持所有的Arduino库，所以这也是在这个项目中选择它的重要因素。
#### RTC（实时时钟）
RTC的主要要求是准确性。考虑到手表没有连接互联网，无法通过互联网连接重新校准时间，因此用户需要手动对其进行校准，因此，我想让手表的计时尽可能准确。
M41T62 RTC是我所能找到的最高精度的（±2ppm，相当于每月±5秒）。将高精度与I2C兼容性以及极低的电流消耗相结合使得这款RTC成为我们项目的理想选择。
#### DC-DC升压转换器
选择DC-DC升压转换器IC时，只需查看电路并确定所需的电压和电流即可。在低电压下运行电路会降低电流消耗，但不能低于4.5V（16MHz时钟频率下的最小微控制器电压），也不能高于4.5V（RTC的最大电压）。这意味着必须在精确的4.5V电压下运行电路。
通过计算，电路的最大电流不会超过250mA。因此，我开始寻找能够满足要求的升压转换器，并很快发现了TPS61220。
TPS61220只需要极少的外部元件，价格相当便宜，并且能够满足电流和电压要求。
#### 电池
对电池的主要要求是尺寸。电池必须足够小，而且可以放入手表外壳，不然手表会看起来笨重。
我算了一下，电池尺寸不能超过20mm×35mm×10mm。
由于尺寸限制和250mA的电流要求，我对电池的选择仅限于锂电池。
我在Hobbyking上找到了我决定使用的个"Turnigy Nano-Tech 300mAh 1S"电池。
#### 充电电路
对充电控制器没有特别的要求，只是需要与1S 锂电池兼容。
我找到了MCP73831T，它是一个完全集成的充电控制器，专为单电池充电应用而设计。
它的特点之一是能够调节通过外部电阻器的充电电流。
#### 锂电保护
这里我想包括电压和电流监控，保护电池免受过充电和过放电的影响。
提供此类功能的IC数量有限，其中一个较便宜的选择是BQ29700 IC。它只需要极少量的外部元件，而且包括了单节锂电池的所有必要保护。
现在我们选好了元件，一起来创建原理图吧！
## 步骤5：原理图
这里用到了Altium Designer，我能够使用每个组件数据表中的建议将上述示意图汇总在一起。原理图分为不同的框，以使其更具可读性。我还添加了一些注释，其中包含重要信息，以防其他人想要重新创建此设计。
下一步是在PCB上布置原理图！
通过使用Altium Designer，我能够利用每个组件的数据手册中的建议来整理上述原理图。
原理图被分成不同的块，更具可读性。我还添加了一些重要信息的注释，以防其他人想要重新创建此设计。
下一步我们在PCB上布局原理图。
## 步骤6：PCB布局
PCB布局是整个项目最具挑战性的部分。
选择使用2层PCB，以将PCB制造成本降至最低。
选择使用36毫米的标准手表尺寸，因为它看起来非常适合LED。
我增加了一些1毫米的螺丝孔来将PCB固定在手表外壳中。
我们的目标是通过将所有组件（当然除了LED）放置在底层，从而保持整个设计的整洁美观。
我还希望使用最少数量的过孔，以避免在顶层出现可见的过孔。这意味着我必须在单个层上布线所有走线，同时确保电路的"噪声"部分远离敏感的信号走线。我还确保所有走线尽可能短，将旁路电容放置在接近负载的位置。对于高功率元件使用较厚的走线，否则应遵循PCB设计的所有常见良好实践。布线花了相当多的时间，但我认为结果很好。
下一步我们来为手表外壳创建一个3D模型。
## 步骤7：3D设计
表壳的设计基于采用Fusion 360的非常传统的经典表设计。表带使用了18mm的标准间距，使该表与多种其他表带兼容。
PCB的开孔设计比PCB本身大0.4mm，来适应任何制造误差。
安装PCB的螺柱和一个小的边缘，用于放置PCB板。
我确保将PCB从顶部凹进几毫米，避免LED的锋利的边缘卡在衣服上造成损坏。
外壳的高度完全由电池的厚度决定。外壳的其余部分设计得非常美观，边缘圆润，边角光滑。
我必须保持设计对3D打印友好，这样就可以在没有任何支撑的情况下在家里进行3D打印。
现在，硬件已经完成，是时候开始软件部分的工作了！
## 步骤8：代码
我通过包含所有必需的库开始了代码。这包括用于与RTC通信和驱动LED的库。之后，我为每种模式创建了单独的函数。当用户通过按下按钮切换模式时，程序将调用与该模式相对应的功能。如果用户未在指定的时间内按下按钮，手表将进入睡眠状态。
所有LED都将逐渐熄灭，直到它们完全熄灭，才表明处于睡眠模式。使用睡眠模式可大大增加电池寿命，并在不使用时保持LED熄灭。用户可以通过按下上方的按钮唤醒手表，并且默认情况下手表会显示时间，因为这是最常见的模式。唤醒后，手表还将检查电池电量以确保不需要充电。如果需要充电，LED将在显示时间之前闪烁红色几次。如果电池电量低于临界水平，它将完全无法打开。
至于其他模式，我想让它们尽可能直观。我认为在所有模式下使用相同的按钮负责相同的功能将是最直观的。经过一些测试，这是我想到的按钮配置：
- 按下顶部按钮：唤醒/在“显示时间”，“显示日期”，“秒表”和“警报”模式之间循环。
- 顶部按钮保持： 进入“设置时间”，“设置日期”，“启动秒表”或“设置闹钟”模式。
- 底部按钮按下：增加亮度。
- 底部按钮保持： 进入“选择颜色”模式。
底部按钮始终负责亮度和颜色调整，而与您所处的模式无关。
当用户进入颜色调整模式时，LED开始循环显示所有可能的RGB颜色。用户可以暂停动画并选择该特定模式所需的颜色（红色显示时间，蓝色显示日期等）。
用户可以轻松自定义颜色来区分不同的模式。
现在代码已完成，是时候把它们上传到微控制器了！
## 第9步：编程
差不多到了焊接和组装的时候了，但在此之前，我们需要对微控制器进行编程。
我遵循了这个教程。
> (http://www.electronoobs.com/eng_arduino_tut6.php)
> 关于如何使用常规的Arduino UNO烧录引导程序和对微控制器进行编程的信息。
第一步是通过上传"ArduinoISP"示例代码，将ArduinoUno变成ISP烧录器。
我使用了一个带有编程接口的电路试验板，并将教程中的原理图连接起来。
之后，我只需在Arduino IDE中按下"Burn Bootloader"，就可以将引导程序烧录到微控制器上。
一旦微控制器有了引导加载程序，我就简单地从Arduino UNO中删除了现有的微控制器，并使用Arduino UNO板作为USB转串口适配器，将代码上传到编程接口的微控制器。上传完成后，可以开始焊接过程。
下一步，我们收集所有组件并将它们焊接在一起。
## 步骤10：焊接
焊接过程分为两部分。首先需要焊接底层，然后是顶层。
我使用胶带将手表PCB固定在几个原型板之间。这确保了PCB在焊接过程中不会移动，这一点非常重要。
然后，我将焊接模板放在PCB上，并使用大量的焊锡膏覆盖所有的焊盘。接着，我开始使用镊子将所有组件放置在它们相应的焊盘上。然后，我用热风枪将所有组件回流焊接到位。
在焊接底层时，我进行了快速的目视检查，来确保焊接成功。然后，我翻过电路板，在另一侧重复焊接过程，这一次是焊接所有的LED。
焊接顶层时，关键的一点是不要使电路板过热，因为这会让底层的所有元件有脱落的风险。
保证所有元件都留在原处，并使用烙铁将按钮焊接到位后，PCB板也完成了！
现在是最后组装时候了！
## 步骤11：组装
组装非常简单。我将电池连接到PCB，并将电池和PCB放在3D打印外壳中。
之后，将四个螺钉拧入PCB各个角上的安装孔内。
最后，用18mm的弹簧条连接了表带，手表就完成了！
## 步骤12：结论和改进
这款手表的表现完全符合预期，我非常满意。
到目前为止，我还没有遇到任何问题，使用了整整一周后，电池仍可以几乎充满电。
未来，我将来可能会在手表中添加其他功能。
由于USB端口连接到微控制器，因此可以随时更新升级固件。
不过现在，我会继续使用这个“版本”的手表，先观察它在长时间使用后的表现如何。
**PS : 大家如果对这个项目有任何想法，意见或问题，可以在下面留言讨论。
你也可以直接与作者交流，他的邮箱是aptechnologies.se@gmail.com。**
### 那么问题来了，上面现在是几点钟?
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项目作者：Alex
编辑：Roy
> 参考资料：
1. Burn the bootloader to a ATmega328P-AU SMD: http://www.electronoobs.com/eng_arduino_tut6.php
2. 原文地址：https://www.instructables.com/id/The-Ultimate-Binary-Watch/
3. 部分资料来源于互联网，首发于(https://mc.dfrobot.com.cn/thread-305264-1-1.html)
非常喜欢，已经做成了，借鉴的原创意，PCB和程序全部重新开发了，采用STM32主控，使用了自带的RTC+外置晶振，加了一颗紫外线传感器，一颗气压传感器，这样多了紫外线测量、温度和海拔功能，更像是一个户外表，然后又把小区的门禁卡NFC也集成上去了，功能妥妥的了，下面上图
VYN3CrvI 发表于 2020-5-16 21:53
没有pcb文件吗？
因为这个项目是在instructables上的，作者无法上传压缩文件，原帖子下面好多人要想要PCB文件，项目作者留了他的邮箱： abdulkhalique712@gmail.com ，你可以尝试联系他一下，顺便练习一下英文！ DFHJM_IpFmV 发表于 2020-8-24 21:19
可以把打印pcb的软件来一个波？
这个项目是在instructables上的，作者无法上传压缩文件，好多人要想要PCB文件，项目作者留了他的邮箱： abdulkhalique712@gmail.com ，你可以尝试联系他一下 带上这款手表有一种清新脱俗的感觉 挺喜欢这个PCB的，就是为什么用UNO这么屌丝 带上它以后，吃饭更香了，跑马更有劲了，谈个女盆友也更有底气了22333333 这款手表真的很实用！
创意也很好，把六十进制改成了二进制！
{:6_215:} 哇，我终于看懂二进制表了 小米创客+ 发表于 2020-5-7 20:48
带上它以后，吃饭更香了，跑马更有劲了，谈个女盆友也更有底气了22333333
公众号后台有朋友想说他可以打印外壳，要把你微信推送给他么{:5_151:} RRoy 发表于 2020-5-8 10:37
公众号后台有朋友想说他可以打印外壳，要把你微信推送给他么
好啊，我们怎么联系 赞一个！ pcb做的很好，二进制不好读啊 Alex二进制手表 板子挺好看的
数学教师专属福利啊{:6_203:} 21:08,好难读啊{:6_213:} 21:04
不知道对不 超喜欢，就是要做这个PCB麻烦~ 小慈 发表于 2020-5-10 11:18
21:08,好难读啊
哈哈，你快了四分钟{:5_160:} Alex二进制手表 淘宝上有专门卖手表的配件，蓝宝石玻璃面有切割好的成品，几块钱吧，贴上去，还能再高端一点 Grey 发表于 2020-5-14 11:06
淘宝上有专门卖手表的配件，蓝宝石玻璃面有切割好的成品，几块钱吧，贴上去，还能再高端一点 ...
good ！（还是国内好，有淘宝...） 20060606 发表于 2020-5-9 11:16
pcb做的很好，二进制不好读啊
8421,8421多读几次