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[项目] 用arduino制作二进制智能手表

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作者：Sverd Industries

今天小编又搜罗到一个

与众不同的手表

它的报时方式非常有趣——二进码！

Sverd Industries小哥哥是这款手表的作者

虽然DF菌每次都挖一些有趣的项目给大家

但是很多项目却都是没得卖，得自己DIY的

预感又要被很多小伙伴骂：

“只能看不能买的，都是大猪蹄子”

我只能傲娇的回嘴：

手癌，我帮你治！

顺手提供手癌自愈社区：mc.dfrobot.com.cn

好了，没有手癌的创客们

制作步骤来了！快收藏！

视频

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— 作者的Idea —

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我一直对有趣的报时方式和二进码十分着迷。信息量可以存储在简单的开/关信号中，实在令人惊讶。我想要一个新的手表，那何不把二进码和手表结合起来，把它当作一个很棒的DIY项目来做呢？

这就是我内心深处的想法。它始终存在，并日益强烈，促使我下定决心完成该项目！

要想将这个想法变成我梦想中的手表，必须解决几个挑战。这些挑战大多可追溯到手表的较小区域。制作一只较大的或难看的手表非常容易，但这并不是我想要的。

我将为你介绍如何将想法变成二进制手表。带上自己亲手制作的手表，倍感自豪。

我们开始吧！

— 第1步：解决挑战 —

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这款手表有4X4减去3个LED灯，排列成多路矩阵。其中一列对应数字时间中的一位数字。时间以二进码十进数表示，其中一个数字最多以四位表示。

它看起来非常时尚，使用简单的用户界面，电池续航时间长达两年。最终的设计是一个迭代过程，需要解决许多不同的问题。在我看来，最终产品是很棒的，我每天都会喜欢佩戴。

当然，戴上手表，人们首先会注意到的就是它的外观。我想要一块好看的、能让人想起实物的手表。简而言之，它必须是我上班开会时可以佩戴的手表。

手表关闭时的设计是一个简单的黑色和银色的双色调组合。皮革表带和表扣，以及外壳和印刷电路板（PCB）就是这个组合。

我把大部分的零件藏在PCB的背面，用黑色的阴焊剂制作出来。我觉得把黑色的硅胶芯片和银色的焊条放在前面非常好。这样一来，即使是电子设备和PCB，也能与手表其余部分的双色调设计相匹配。

在组装时，表体需要固定住，但要容易打开，以便更换电池或修改代码。那就意味着不使用胶水，我可以用一些不那么持久的东西。事实上，这个装置中唯一使用的胶水是水晶玻璃。

由表壳背面和前表环两部分组成的主体解决了开合问题。表壳包含了所有的组件，如PCB、表带和表冠。表环支撑着玻璃，然后滑回外壳背面，外壳背面用两个小螺丝固定。

正如在选择组件的步骤中所讨论的，这必须是非常低的功率。如果你每隔几周甚至几天就要更换一次电池，那这就不是什么好手表了。它至少要能持续半年的时间，才不会成为一个真正的麻烦。幸运的是这个问题解决了！这款手表大部分时间都是在深度睡眠中度过的，只有在表冠被推动时才会被唤醒。在深度睡眠中，它只消耗10微安。这使电池寿命超过两年！

直观。这款手表必须直观、易于使用和理解，至少达到二进制手表容易理解的程度。时间用二进码十进数（BCD）表示，而不是普通的二进数。在BCD中，取一个普通的十进数，然后把它转换为二进数。这意味着一个较长的十进数在其每个数字中被拆分，每一个数字都被转换成二进数。该系统有利于对时间进行编码，因为这意味着BCD中最大的单个数字是9（1001），而不是普通二进数的2359（100100110111）。更多关于如何使用BCD来读取时间的信息，参见第5步。

就用户界面而言，你只需按下表冠，就能唤醒手表，它会立即给出时间。再一次按下表冠，你就能知道日期。因为手表的电池寿命是两年，所以你可以在不连接电脑的情况下轻松切换夏令时。只需快速连续按15次按钮，即可增加或减少一个小时。

— 第2步：零件和工具 — △△

这一步概述了在这个装置中使用的组件和工具。更多关于如何选择部件的信息，参见下一步。

电子

13 x 0603 LED灯 (选择你喜欢的颜色！我使用的是红色LED灯+)
1 x 8 赫兹的陶瓷谐振器
1 x Atmega328P-AU 微处理机
2 x 0.1uF 0806电容器
1 x 4.7uF 1206钽电容器
1 x 10k 欧姆的0806电阻器
1 x DS3231实时时钟
3 x 51k 欧姆的0806电阻器
1 x CR2032 SMD电池夹
1 x CR2032钮扣型电池
1 x 4.5 mm按钮
4 x 200 欧姆的0806电阻器

表身

1 x 20毫米的表带
2 x 20毫米的表带弹簧杆
1 x 38毫米宽的手表水晶玻璃
5厘米（2英寸）的细绕丝或类似物
2 x M2 6毫米的平头螺钉
2 x M2 六角螺帽

工具

USB到TTL的适配器
烙铁
焊料
液态助焊剂
外用酒精
冲刀
镊子
小型六角螺丝刀
使用高质量的3D打印机

— 第3步：选择组件 — ▲△

电路板有四个主要部分。我们有atmega328p微处理器。这和流行的Arduino模块中发现的一样。这是大脑，它将与一个实时时钟（RTC）模块进行通信、处理时间，并将其显示在LED灯上。当然，所有这些都需要电源，最好是一个小电池。

Atmega328P

微处理器必须达到一定的标准。它至少需要9个大头针用于GPIO，其中8个用于LED灯，1个用于按钮。它还需要一个I2C总线，以便充当主人探询RTC的时间。最后，它必须能够在低电压下运行，并且在供电时不会产生过大的电流。Atmega328P-AU满足所有这些标准，但仍然小到不能吃掉整个PCB区域。一个很大的好处是，它也被用于大多数流行的Arduino电路板。这意味着它拥有很多的支持，根据我对Arduino的经验，它应该易于操作。

PCB被设计成使用一个8赫兹的陶瓷谐振器。然而，事实证明，处理器应该更低，以便在低电压下运行。看一下这一步中取自数据表第303页的图片，它解释了时钟频率和工作电压之间的比值。大约4赫兹的时钟频率应该是这个项目的最大频率。我使用了8赫兹的内部振荡器，并激活了8位，这使得表面的时钟频率为1赫兹。焊接的8赫兹的谐振器仍然是需要的，但是仅在第8步中点燃引导装入程序时才真正需要用到。我不认为有什么理由在点燃引导装入程序后移除谐振器。

DS3231

一开始我考虑使用DS1307 RTC。这是一种更受欢迎的芯片，通常是用于从中国订购的廉价RTC电路板上。但是，即使它使用常规的3伏电池进行时间备份，这仍然需要大约5伏的电源。很少有微型电池能提供5伏的电压，所以要使用这个芯片，我需要找到一种提高电压的方法。提高电压必然会导致功率损耗，这是我无法承受的。参考热力学第二定律。感谢卡诺先生！

DS3231可以在电压低至1.8伏的情况下运行，当所有东西都由3伏的电池驱动时，这就很完美。它还有一个内置的石英晶体，这意味着电路更容易焊接。内置的时钟晶体也是温度补偿！环境温度会导致时钟晶体出现不规则的振荡。这意味着它在第一次设置后就没那么准确了。DS3231测量了环境温度，用它来计算对温度波动的补偿。

你什么时候需要一个温度补偿的实时时钟？当RTC处于不断变化的温度环境中时，你需要它。当你进出不同房间或外出，温度并不恒定时，这就是手表的完美选择。

LED灯

LED灯的包装尺寸是0603，真的很小！它们每个最多可以产生20毫安，但这不是真正的问题。由于多重LED灯矩阵以列扫描显示时间，所以同一时间的功率不会超过三个LED灯。电流也随着电阻的增大而减小。电流限制电阻会降低光输出量，所以你可以通过实验找到你满意的亮度和电流消耗。我的经验是，100至400欧姆之间的电阻几乎没有电流，而且亮度很高。

看看为这些LED灯列出的表格。它们都需要相同数量的电流，但是红色的LED灯需要的电压最低，同时还能提供100mcd以上的光。所有这些都意味着，在光和能量方面，红色的LED灯会给你带来最大的好处。当然，你可以选择其他颜色，但我建议你不要使用那些需要电压在3v左右的颜色。仅仅是因为电池电压会随着时间的推移而降低，这意味着要关闭LED灯。这样就导致了一个奇怪的情况，即手表仍然还有电，并能保持时间的准确，LED灯仅仅需要让手表无法报时的高电压。

CR2032

我想让它用一个普通的旧钮扣电池（也叫手表电池）供电，这非常合适。CR2032的电压通常为3伏，典型容量为200毫安。但是，它的缺点是相对较大的负载可能会使电压下降至2伏。这有两种处理方式：一是减少电流负荷，二是不理会电压是否下降。通过使用诸如Atmega328p和DS3231这样的低功耗集成电路，可以减少电流负荷。也可以通过在LED灯上使用电流限制电阻减少电流负荷，并且因为矩阵是由列扫描驱动的，同一时间亮着的LED灯不超过三个。因为LED灯是这款手表中最具电流的元件，所以它的影响最大。还有，如果电池的电压下降怎么办？对此我已有所准备。DS3231可以使用1.8伏的电压安全供电，我选择了红色的LED灯，因为打开它们需要的电压最低，而Atmega328p有一种特殊的引导装入程序，它的频率是1赫兹，探测值是1.8伏，所有这一切都意味着，这款手表在较大电流负荷或较低电压下都能顺利运行！

手表电路可以由锂电池驱动。它不像CR2032那样面临在相同的电流下电压会降低的问题，但是它会带来一些其他的问题和挑战。对于这个项目，锂离子电池有两个主要缺点。虽然微型电池的容量与CR2032接近，但它需要一些额外的容量以便安全充电和安全放电。它还需要一种连接充电器的方法。我更喜欢外壳可以打开，并且电池可以马上换掉的设计。使用锂电池的危险更大，需要多加小心。

你可能熟悉锂离子电池的电压范围。当充电完全时，它们通常起始于大约4.2伏处，随后很快下降到3.7伏，在断电前降为3.2伏。如果我要用这样一个变化的电压范围来为LED供电，我还需要一些支持电路来使LED电压在某种程度上保有规律。这不仅增加了已经很小的PCB板的复杂性，同时也会消耗更多能量。我已经尽我所能减少了能耗，最终的结果是一枚常规的纽扣电池就能使这块手表保持两年准确对时。

— 步骤4：理论时间1：复用矩阵 —

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复用技术是用较少的实际输入和输出来连接多个输入和输出 (IO) 的一种方式。在这块手表中使用的配置是一个去除三个不必要的LED的4x4 LED矩阵。这可以在微控制器上只使用八个输出的情况下控制多达16个单个LED。我简单地去掉了矩阵上三个不被需要的用于显示时间和日期的LED。

只需将选定行数设置为高，并将另一行设置为低即可将单个LED打开，同时将选定的列设置为低，并将其他列设置为高。这意味着电流由穿过LED的行提供，并汇入列中。

通过LED矩阵创建更复杂的形状可能导致不必要LED的开启。为了防止这一点，大多数矩阵通过列（或行）扫描激活。简单地说，一列中只有不同的LED才会同时开启。随后，这一列在下一列被激活之前被禁用。所有这些都比肉眼能感知的要快得多。得到的结果是，不同列中的LED被同时打开，产生复杂的画面。

矩阵在图纸和PCB板之间被旋转了90度，这使得手表的编程变得更简单。这使得一个时间位数被存储在ARDUNO代码中它自己的字节上的。

— 第5步：理论时间2：二进制编码十进制 —

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第二步中提到的二进制编码的十进制将十进制位数作为自己的二进制数进行编码。这种情况下的主要好处是在实际情况下查看时间变得容易得多。单独查看每一位时间位数2 (10), 3 (0011), 5 (101), 9 (1001)要比一次性查看完整的数字2359 (100100110111)简单得多。

那么，你是如何通过BCD阅读时间的呢？

我很高兴你这样问了。表上的最低行代表最低有效位，上部行则代表了最高有效位。从底部到顶部的行具有值：1, 2, 4，8。所以每个数字的值都是向上编码的，而你读数字时是从左往右的。

当LED在特定的行和列中被激活时，你应该计下这一值。当LED关闭时，忽略它的值。要读取第一个数字，只需将所有激活的LED对应的值加起来，并在读取下一个数字时记住这个数字。

手表上配备13个LED的原因是，这个数量恰好是能够显示一天中所有可能的时间组合所需的LED的数量。

— 步骤6：创建电路—

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好的，我们已经谈论了很多关于电路部分和组件背后的原因。现在让我们把它们整合在一个完整的电路里！PCB板被制作成圆形，用来对普通手表进行回调。标准表体通常为42毫米，玻璃直径为38毫米。这是玻璃的外缘。然而，如果玻璃位于1毫米宽的边上，可用的直径将骤减为36毫米。这意味着当所有东西被组装在一起时，如果还想要有一些留边，我可以将PCB板的直径定在大约35毫米。

PCB板是在Autodesk Eagle上设计的，你可以在这里下载GERBER文件。我让jlcpcb以0.8毫米的厚度进行制作，但1毫米的厚度也应该可以。再次申明，因为我想让它看起来更时尚，所以我订购了具有黑色焊接掩模的PCB板，这让它与手表的其余部分相得益彰。

在交付PCB板后，玻璃屏幕的一部分上印有他们的产品编号。这通常被工厂用来标识一批订单中哪些PCB板是相匹配的。通常情况下，这一数字是完全没影响的。然而，因为PCB板的正面将会显示在它所有的glory中，我不得不删除那个数字。幸运的是，这很容易做到。我用USB-C电缆的一端就把它擦掉了。你可以使用任何平的和硬的边，如硬币或刮铲。只是要小心刮时不要太用力，否则可能会刮掉焊接掩模。你可以在PCB板的背面练习一下，找到刮除玻璃屏幕的正确手感。

— 步骤7：焊接 —

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在焊接时，保持电路板不动最好的方法是使用你的老朋友: 不透光胶纸。当你挥动烙铁的时候，几条胶条就可以让PCB板保持静止。

我从所有组件最低的配置开始，并且在焊接背面前先完成了正面的焊接。当焊接微小的SMD组件，尤其是焊接SMD芯片时，需要大量的液态助焊剂。有多种相关的涂抹器，如助焊笔或挤压瓶。我有一个瓶盖带有小刷子的瓶子。

首先用一些预熔化的焊料固定一侧，并将组件固定到位，务必以你想要的方式将它对齐。现在涂抹一些液体焊剂，在你的烙铁的尖端熔上一些焊料并将其点焊到未焊的点上。就是如此简单！使用这一简单的流程把除了按钮以外的所有组件都焊接完成。

如果你用了超出需求量的焊料，则需要清理烙铁的尖端，并重新加热过焊的位置。液态焊料的表面张力会将其少许的量拉升到烙铁上。你可能需要重复几次这个步骤，直到所有多余的焊料被清除。

助焊剂的焊流能力如同魔法一般，而它的电噪感应能力更是如同黑魔法一般。当有助焊剂残留在PCB板上时，可能会使电流流向你不想要它流向的地方。换句话说，它可能会干扰敏感信号，如来自陶瓷谐振器的信号。为了避免不必要的噪音，可以用外用酒精清除助焊剂，并用一些厚的棉纸或棉签进行擦拭。

— 步骤8：调整按钮 —

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你可能已经注意到，按下手表侧面的表冠即可唤醒手表。表冠必须从外面插入表体，在被装配后不应该存在被不小心拔出的可能性，并且需要激活连接到微控制器的中断按钮。我对这个解决方案非常满意。

你经常看到最便宜的触摸按钮有着小、圆、黑的塑料部分。按下它就能使导线传导电流。这个黑色的柱塞被移除，取而代之的是表冠的末端。

按钮是通过使用平切刀移除按钮正面的四个塑料铆钉来打开的。现在金属盖子可以被拆卸，在里面你可以找到塑料柱塞和一个软性金属盘。当柱塞被按下时，圆盘是按钮之间实际上的接触点。

拆卸黑色柱塞并重新插入金属盘。我使用了一小卷不透光胶纸来防止磁盘在插入后移位。现在再次添加外按钮盖，并用一些超级胶水进行固定。得到的结果是有一个开孔的按钮，可以通过推动一个尖锐的物体进入开口进行激活。我们使用的尖锐物体自然就是表冠的末端。

完成了对按钮的调整，现在它可以被焊接在电路板合适的角度上了。

— 步骤9：启动引导加载程序 —

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电子的部分现在已经完成了！这是一些重要的工作，希望一切都有效，因为我们还暂时还没有能力进行测试。目前为止，微控制器仍无法解释Arduino指令或代码。它首先需要一个引导加载程序，它的作用有点像计算机上的BIOS。它是一个需要被存储在芯片上的子程序，以便加载和执行您编写的程序。

因为这是Atmega328P的一个超低电压应用，它需要一种特殊的引导加载程序。正如在步骤3中讨论的选择具有正确频率的微处理器，该电路将以1MHz的频率运行。这是为了确保处理器在2V的最低可能电压下仍能可靠地工作。

打开Arduino IDE，进入File > Preferences > Additional Boards Manager URLs:在粘贴这一最近的URL之前在此URL后加上一个逗号：https://mcudude.github.io/MiniCore/package_MCUdude...

按几次“OK”几次，然后进入Tools > Board > Boards Manager。打开这一主板管理器，搜索minicore并安装它。

这将MiniCore引导加载程序添加到了Arduino IDE中。这提供了一些额外的可能性和配置。如果你想了解更多关于MiniCore的信息，你可以查看their github page here.

现在我们需要使用一个Arduino作为一个ICSP程序员来真正地将引导加载程序烧录到我们的手表电路中。我使用了Arduino Nano。将主图纸中的ARDINO连接到该步骤中。进入ARDUINO示例并打开“ArduinoISP”示例代码。

此时，我们已经准备好配置我们要烧录的引导加载程序，但首先需要将Tools > Programmer:设置为“Arduino作为ISP”。从MiniCore引导加载程序中选择以下配置。你可能还想要再次检查你的配置是否符合此步骤中附属的图片中的配置。

引导装载程序设置

主板：ATmega328
引导装载程序：是
时钟：内部1MHz
编译器LTO:禁用
变量：328P / 328PA
BOD：1.8伏

现在的最后一步是将ISP线从主Arduino连接到手表电路中。你可以把这些按压到手表PCB板背面的编程点上。因为我必须测试很多不同的引导加载程序和熔断器设置，包括在某些时候尝试做我自己的调整，我将母头焊接到编程点上，以便更容易进行实验。

在ISP线适当地到位后，选择选项Tools > Burn Bootloader。过一会儿你就会收到一条成功的信息。如果没有的话，可能有两个原因。罪魁祸首通常是谐振器。试着重新焊接这部分，然后再试一遍。如果你有一个合适的范围，最少16MHz的采样频率，尝试探测谐振点。如果焊接得当，就会得到漂亮光滑的正弦曲线。另一个可能的错误来源是如果你只是把它们按压下去的话ISP线没有适当的连接。调整把手再试几次，或者把电线或母头焊接到编程点上。

— 步骤10：代码 —

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当引导加载程序被烧给微控制器时，可以使用FTDI转换器上传实际的Arduino代码。事实上，可以通过将引导加载程序替换为ICSP进行代码上传，但我并不想这样做。因为如果我以后再做任何修改的话，上传新代码将变得更难，而且串行终端也不能被用于与微控制器的通信。你可能知道，串行终端在调试项目时非常重要，所以我不想删除该功能。毕竟，增加FTDI连接点不会使PCB板变得更复杂。有许多添加它的理由，而没有删除它的真正理由。

要上传代码，首先打开我所附的草图。将USB FTDI适配器连接到串行的编程点。同样，这些连接既可以通过按压在PCB板上，也可以通过焊接针脚或母头来进行连接，这些针脚和母标头以后必须去焊。我使用了母头。

在上传的过程中，确保你保留了用于烧录引导加载程序的相同的面板设置。在代码被编译和上传的任意时刻，RTC上的时间就会被设置。当你第一次成功上传注释后，在第35行进行注释，这将会编译时间，并再次上传。这条线负责读取时间并调整RTC。删除这一行，如果代码在某个点随机重置将不会设置原始编译时间。

在这一时间点，我深吸了一口气，然后轻轻拍了一下自己的后背，告慰自己已进展到了现在。代码成功上传的时候，也是手表实际上第一次能被正确测试的时候。手表从睡觉中启动，按下按钮就会被激活。因为很难按，所以我就用镊子把按钮头剪短了。然后……成功了！虽然不是第一次就成功。正如之前所述，我必须做大量的实验，并弄清楚如何在这个过程中进行推进。我最后使用的PCB板实际上是我焊接的第三块。当我最终确定了完整的过程，使一切都按照我想象和梦想的方式运行时，这并没有让我感到不愉快。

— 步骤11：用户界面 —

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按钮附加在ATMEGA328 P的第一个外部中断引脚上。微控制器的大部分时间都在深度睡眠中，几乎不消耗电流。每当按下按钮，微控制器就会从睡眠中醒来，并将两个变量传递给主循环，一个它刚刚醒来的布尔标志，以及当前millis()值的记录。这些变量用于清除按钮，确保它不会从随机的电子噪声中醒来。如果微处理器从噪音中醒来，它将再次进入睡眠状态。

一旦微控制器被正确唤醒，它就会在当前时间轮询RTC，并将这次分割成四个独立的数字。随后这些独立值被传递给LED矩阵，一次显示一位数，非常快。微控制器还保存当前的millis()值，该值总是将这个存储值与下一个值进行比较。在手表显示时间20秒后，它将再次进入睡眠状态。

你可能担心20秒不够以二进制格式读取时间。而我说，20秒就足够了! 我一星期每天都用手表，每次大概需要两秒钟的时间来读取时间。如果你真的想要更长的时间，那就在睡眠前增加存储时间的变量。

当手表被唤醒，你可以再次按下按钮，在20秒之内显示当前日期。日期的格式为日/月。

那么，由于这款手表可以连续使用两年而设置时间的次数无需超过一次，如何调整一年两次的夏令时呢?这在手表不需要新电池的情况下可能需要进行四次设置。我知道夏令时会带来麻烦，你不仅会打乱自己的睡眠周期，还得去重新设置自己的每一块手表!尽管我对夏令时有着不同寻常的强烈感觉，但现在不是讨论这个话题的时候。你只需要知道我已经准备好了应对方法。要在夏令时模式之间进行切换，只需快速连续按15次按钮。这可以根据代码中的夏令时变量对当前时间增加或减少一个小时。在上传代码之前，一定要确保你调整了这个变量。

— 步骤12:3D打印 —

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因为这是我想经常使用的东西，手表需要看起来富有光泽，而不是超级DIY的样子。这就是为什么我用专业3D打印表体的原因。如果你有一个有很高分辨率和强大材料的3D打印机，那太棒了! 订购一套专业的3D打印大约占了项目预算的一半。虽然在我看来这是值得的，但如果能有一个更便宜的选择那就更好了。