【干貨】基于Arduino?的二進(jìn)制手表

時(shí)間：2021-10-18 16:48:09

關(guān)鍵字： Arduino 二進(jìn)制手表

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[導(dǎo)讀]我最近了解了二進(jìn)制手表的概念，并開始做一些研究，看看我是否可以為自己構(gòu)建一個(gè)。但是，我無(wú)法找到既實(shí)用又時(shí)尚的現(xiàn)有設(shè)計(jì)。所以，我決定完全從頭開始創(chuàng)建自己的設(shè)計(jì)！Button_V1.f3dWatch_Body_w_Buttons_V1.f3dBOM_Binary_Watch.xlsB...

我最近了解了二進(jìn)制手表的概念，并開始做一些研究，看看我是否可以為自己構(gòu)建一個(gè)。但是，我無(wú)法找到既實(shí)用又時(shí)尚的現(xiàn)有設(shè)計(jì)。所以，我決定完全從頭開始創(chuàng)建自己的設(shè)計(jì)！

Button_V1.f3d
Watch_Body_w_Buttons_V1.f3d
BOM_Binary_Watch.xls
Binary_Watch_V9.ino

補(bǔ)給品
此項(xiàng)目的所有文件：Arduino 代碼的庫(kù)可以從這里的 GitHub 下載：

M41T62 RTC 庫(kù)
FastLED 庫(kù)
低功耗庫(kù)

第1步：設(shè)計(jì)建立標(biāo)準(zhǔn)

二進(jìn)制RGB接口
時(shí)間顯示（具有非常準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)）
日期顯示
秒表功能
報(bào)警功能
電池壽命至少 2 周
USB充電
用戶可輕松定制的軟件
干凈簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)

這些標(biāo)準(zhǔn)成為整個(gè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)。下一步是弄清楚我希望手表如何運(yùn)作！第 2 步：一些二進(jìn)制觀察理論計(jì)劃很簡(jiǎn)單。除了接口是二進(jìn)制的，特別是 BCD（二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制）外，二進(jìn)制手表的操作就像普通手表一樣。BCD 是一種二進(jìn)制編碼，其中每個(gè)十進(jìn)制數(shù)字由固定位數(shù)表示。我需要 4 位才能表示 0-9 的數(shù)字。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)hh:mm時(shí)間格式，我需要其中的 4 個(gè)數(shù)字。這意味著我總共需要 16 位，由 16 個(gè) LED 表示。一旦你習(xí)慣了，用 BCD 讀取時(shí)間就很容易了。手表底部的行代表最低有效位 (1)，頂部的行代表最高有效位 (8)。每列代表一個(gè)hh:mm時(shí)間格式的數(shù)字。如果 LED 亮起，則計(jì)算該值。如果 LED 熄滅，則忽略它。要讀取第一個(gè)數(shù)字，只需將第一列（最左側(cè)）中所有激活的 LED 對(duì)應(yīng)的值相加即可。從左到右對(duì)其他數(shù)字執(zhí)行相同操作。您現(xiàn)在已經(jīng)閱讀了 BCD 時(shí)間！手表上的其他功能也遵循這一原則。使用 RGB LED 將有助于區(qū)分使用不同顏色的不同功能和模式。顏色由用戶選擇，可以輕松調(diào)整為他們喜歡的任何調(diào)色板。這使用戶可以輕松瀏覽功能而不會(huì)感到困惑。下一步是創(chuàng)建一個(gè)框圖！第 3 步：開始工作與任何典型的電子項(xiàng)目一樣，框圖是早期設(shè)計(jì)階段的重要組成部分。使用這些標(biāo)準(zhǔn)，我設(shè)法將上面的框圖放在一起。圖中的每個(gè)塊代表電路中的一個(gè)功能，箭頭表示功能之間的關(guān)系。整個(gè)框圖很好地概述了電路將如何工作。
下一步是開始為框圖中的每個(gè)模塊的各個(gè)組件做出決策！第 4 步：選擇組件
結(jié)果證明這個(gè)電路中有相當(dāng)多的組件。下面，我挑選了一些最重要的，并解釋了我為什么選擇它們。LED
對(duì)于二進(jìn)制接口，選擇相當(dāng)簡(jiǎn)單。我知道我想使用 LED 進(jìn)行顯示，并發(fā)現(xiàn)我需要其中的 16 個(gè)（在 4×4 網(wǎng)格中）來(lái)顯示盡可能多的信息。在我研究完美 LED 的過(guò)程中，APA102不斷出現(xiàn)。它是一種非常小的 (2mm x 2mm) 可尋址 LED，具有多種顏色，而且相當(dāng)便宜。盡管我以前從未與它們合作過(guò)，但它們似乎非常適合這個(gè)項(xiàng)目，所以我決定使用它們。微控制器
微控制器的選擇也非常簡(jiǎn)單。我在獨(dú)立應(yīng)用程序中使用Atmega328P-AU有很多經(jīng)驗(yàn)，并且非常熟悉它的功能。這與 Arduino Nano 板中使用的微控制器相同。我知道可能有更便宜的微控制器可以使用，但知道Atmega328將完全支持所有 Arduino 庫(kù)是為該項(xiàng)目選擇它的一個(gè)重要因素。RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）
RTC 的主要要求是準(zhǔn)確性。我知道手表沒有任何互聯(lián)網(wǎng)連接，因此無(wú)法通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接重新校準(zhǔn)，用戶需要手動(dòng)重新校準(zhǔn)。因此，我想讓計(jì)時(shí)盡可能準(zhǔn)確。該M41T62 RTC具有最高的準(zhǔn)確度的一個(gè)，我能找到（±2ppm的這相當(dāng)于每月±5秒）。將高精度與I2C兼容性和超低電流消耗相結(jié)合，使該 RTC 成為該項(xiàng)目的理想選擇。DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器
只需查看電路并確定所需的電壓和電流，即可選擇 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器 IC。在低電壓下運(yùn)行電路會(huì)降低電流消耗，但我不能低于 4.5V（16MHz 時(shí)鐘下的最小微控制器電壓），也不能高于 4.5V（RTC 的最大電壓）。這意味著我必須在精確的 4.5V 下運(yùn)行電路，以便在推薦的規(guī)格范圍內(nèi)運(yùn)行組件。我計(jì)算出電路的最大電流不會(huì)超過(guò)250mA。因此，我開始尋找能夠滿足要求的升壓轉(zhuǎn)換器，并很快偶然發(fā)現(xiàn)了TPS61220。該TPS61220 需要最少的外部元件，相當(dāng)便宜并且能夠滿足電流和電壓要求。電池
對(duì)電池的主要要求是尺寸。電池需要足夠小，以便它可以安裝在手表外殼內(nèi)，而不會(huì)使其看起來(lái)笨重。我認(rèn)為電池不能超過(guò)20mm × 35mm × 10mm。由于這些尺寸限制和 250mA 的電流要求，我選擇的電池僅限于 LiPo 電池。我發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“Turnigy納米技術(shù)300mAh的1S”電池Hobbyking，我決定使用。充電IC
除了需要兼容1S LiPo電池外，對(duì)充電控制器沒有特別要求。我發(fā)現(xiàn)MCP73831T是一款完全集成的充電控制器，專為單節(jié)電池充電應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它的功能之一是能夠通過(guò)外部電阻調(diào)整充電電流，我發(fā)現(xiàn)這在此應(yīng)用中非常有用。鋰聚合物保護(hù)
我想包括電壓和電流監(jiān)控，以保護(hù)電池免受任何危險(xiǎn)的過(guò)度充電和過(guò)度放電情況的影響。提供此類功能的 IC 數(shù)量有限，其中一種更便宜的選擇是BQ29700 IC。它需要最少量的外部組件，并包括對(duì)單節(jié)鋰聚合物電池的所有必要保護(hù)。現(xiàn)在已經(jīng)選擇了組件，是時(shí)候創(chuàng)建原理圖了！第 5 步：原理圖使用 Altium Designer，我能夠使用來(lái)自每個(gè)組件數(shù)據(jù)表的建議將上面的原理圖放在一起。原理圖分為不同的塊，以使其更具可讀性。我還添加了一些帶有重要信息的注釋，以防其他人想要重新創(chuàng)建此設(shè)計(jì)。
下一步是在 PCB 上布置原理圖！第 6 步：PCB 布局事實(shí)證明，PCB 布局是該項(xiàng)目最具挑戰(zhàn)性的部分。我選擇使用 2 層 PCB 以將 PCB 制造成本降至最低。我選擇使用 36 毫米的標(biāo)準(zhǔn)手表尺寸，因?yàn)檫@似乎非常適合 LED。我添加了一些 1 毫米螺絲孔以將 PCB 固定在手表外殼中。目標(biāo)是通過(guò)將所有組件（當(dāng)然 LED 除外）放置在底層來(lái)保持干凈和美觀的設(shè)計(jì)。我還想使用絕對(duì)最少數(shù)量的過(guò)孔，以避免在頂層出現(xiàn)可見的過(guò)孔。這意味著我必須在單層上布線所有走線，同時(shí)確保電路的“嘈雜”部分遠(yuǎn)離敏感的信號(hào)走線。我還確保所有走線盡可能短，將旁路電容器放置在靠近負(fù)載的位置，對(duì)高功率組件使用較粗的走線，否則請(qǐng)遵循 PCB 設(shè)計(jì)的所有常見良好做法。路由花了相當(dāng)多的時(shí)間，但我認(rèn)為結(jié)果非常好。下一步是為手表外殼創(chuàng)建 3D 模型！第 7 步：3D 設(shè)計(jì)手表外殼是根據(jù)使用 Fusion 360 的非常傳統(tǒng)、經(jīng)典的手表設(shè)計(jì)而設(shè)計(jì)的。我為表帶使用了標(biāo)準(zhǔn)的 18 毫米間距，以使手表與各種其他表帶兼容。PCB 的切口設(shè)計(jì)為比 PCB 本身大 0.4 毫米，以適應(yīng)任何制造誤差。我包括了一些用于安裝 PCB 的螺絲柱和一個(gè)用于放置 PCB 的小邊緣。我確保將 PCB 從頂部凹進(jìn)一毫厘，以避免 LED 的鋒利邊緣卡在衣服上。外殼的高度僅由電池的厚度決定。外殼的其余部分旨在通過(guò)圓潤(rùn)的邊緣和拋光的邊角看起來(lái)很好看。我確實(shí)必須保持設(shè)計(jì)的 3D 打印友好性，以便我可以在家里 3D 打印它而無(wú)需任何支撐材料。現(xiàn)在硬件已經(jīng)完成，是時(shí)候開始開發(fā)軟件了！第 8 步：代碼我通過(guò)包含所有必要的庫(kù)來(lái)開始編寫代碼。這包括用于與 RTC 通信和驅(qū)動(dòng) LED 的庫(kù)。之后，我為每種模式創(chuàng)建了單獨(dú)的函數(shù)。當(dāng)用戶通過(guò)按下按鈕切換模式時(shí)，程序會(huì)調(diào)用與該模式對(duì)應(yīng)的功能。如果用戶在指定的時(shí)間內(nèi)沒有按下按鈕，手表就會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。睡眠模式由所有 LED 逐漸消失直至完全關(guān)閉來(lái)指示。使用睡眠模式可大大延長(zhǎng)電池壽命，并在不使用時(shí)保持 LED 關(guān)閉。用戶可以通過(guò)按下上按鈕來(lái)喚醒手表。喚醒后，手表會(huì)檢查電池電量以確保不需要充電。如果需要充電，LED 會(huì)在顯示時(shí)間之前閃爍幾次紅色。如果電池電量低于臨界水平，則它根本不會(huì)開啟。剩下的時(shí)間編程是讓其他模式盡可能直觀。我認(rèn)為在所有模式下使用相同的按鈕負(fù)責(zé)相同的功能將是最直觀的。經(jīng)過(guò)一些測(cè)試，這是我想出的按鈕配置：

頂部按鈕按下：?jiǎn)拘?在“顯示時(shí)間”、“顯示日期”、“秒表”和“鬧鐘”模式之間循環(huán)。
頂部按鈕保持：進(jìn)入“設(shè)置時(shí)間”、“設(shè)置日期”、“開始秒表”或“設(shè)置鬧鐘”模式。
底部按鈕按下：增加亮度。
底部按鈕按?。哼M(jìn)入“選擇顏色”模式。

底部按鈕始終負(fù)責(zé)亮度和顏色調(diào)整，與您所處的模式無(wú)關(guān)。當(dāng)用戶進(jìn)入“選擇顏色”模式時(shí)，LED 開始循環(huán)顯示所有可能的 RGB 顏色。用戶可以暫停動(dòng)畫并為該特定模式選擇他們喜歡的顏色（顯示時(shí)間為紅色，顯示日期為藍(lán)色等）。用戶可以輕松自定義顏色，以幫助他們區(qū)分不同的模式。現(xiàn)在代碼已經(jīng)完成，是時(shí)候?qū)⑺蟼鞯轿⒖刂破髁耍?/span>第 9 步：編程幾乎是焊接和組裝的時(shí)間，但在此之前我需要對(duì)微控制器進(jìn)行編程。我跟著這個(gè)教程
將引導(dǎo)加載程序刻錄到 ATmega328P-AU SMD關(guān)于如何使用常規(guī)的 Arduino Uno 作為編程器來(lái)刻錄引導(dǎo)加載程序和對(duì)微控制器進(jìn)行編程。第一步是通過(guò)上傳“ArduinoISP”示例代碼將 Arduino Uno 變成 ISP。我使用了一個(gè)面包板和一個(gè)編程插座，并連接了教程中的原理圖。之后，我只需在 Arduino IDE 中按下“Burn Bootloader”，就可以將引導(dǎo)加載程序刻錄到微控制器上。一旦微控制器有了引導(dǎo)加載程序，我只需從 Arduino Uno 中移除現(xiàn)有的微控制器，并將 Arduino Uno 板用作 USB 到串行適配器，將代碼上傳到編程插座中的微控制器。上傳完成后，我可以開始焊接過(guò)程。下一步是收集所有組件并將它們焊接在一起！第 10 步：焊接焊接過(guò)程分為兩部分。首先需要焊接底層，然后是頂層。我使用膠帶將手表 PCB 固定在幾個(gè)原型板之間。這確保了 PCB 在焊接過(guò)程中不會(huì)移動(dòng)，這一點(diǎn)非常重要。然后我將焊接模板放在 PCB 上，并使用大量焊膏覆蓋所有焊盤。我繼續(xù)使用一對(duì)薄鑷子將所有組件放在相應(yīng)的墊上。然后我使用熱風(fēng)槍將所有組件回流焊接到位。焊接底層時(shí)，我對(duì)其進(jìn)行了快速目視檢查，以確保焊接成功。然后我翻轉(zhuǎn)電路板并在另一側(cè)重復(fù)焊接過(guò)程，這次是使用所有 LED。焊接頂層時(shí)不要使電路板過(guò)熱非常重要，因?yàn)榈撞康乃薪M件都有脫落的風(fēng)險(xiǎn)。值得慶幸的是，所有組件都保持原位，使用普通烙鐵將按鈕焊接到位后，PCB 就完成了！現(xiàn)在是最后組裝的時(shí)候了！第 11 步：組裝組裝非常簡(jiǎn)單。我將電池連接到 PCB 并將電池和 PCB 放置在 3D 打印外殼內(nèi)。我繼續(xù)在 PCB 的每個(gè)角的安裝孔中擰入四個(gè)螺釘。之后，我使用 18 毫米彈簧條連接表帶，手表就完成了！
第 12 步：結(jié)論和改進(jìn)手表按預(yù)期工作，我對(duì)它的結(jié)果感到非常滿意。到目前為止，我沒有遇到任何問題，并且在使用整整一周后，電池幾乎保持充滿電。
將來(lái)我可能會(huì)為手表添加其他功能。由于 USB 端口連接到微控制器，固件可以隨時(shí)更新新功能。不過(guò)現(xiàn)在，我將繼續(xù)使用這個(gè)版本的手表，看看它在長(zhǎng)期使用后如何保持。