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DIY一款既实用又时尚的二进制手表 |
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本帖最后由 RRoy 于 2020-8-5 16:34 编辑
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
灵感来源于下面这个视频： 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
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）
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）
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：
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。
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。
那么问题来了，上面现在是几点钟?项目作者：Alex 编辑：Roy
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VYN3CrvI 发表于 2020-5-16 21:53 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 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 |
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