PICCOLO orologio da polso OLED stampato in 3D: 6 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Ciao, ti piace costruire il tuo orologio da polso?

È sicuramente una sfida costruire un piccolo orologio da polso fai-da-te come questo. Il vantaggio è il piacere di aver realizzato la propria idea ed essere orgogliosi di aver raggiunto questo livello di abilità…

Il motivo per cui ho creato il mio orologio era che il mio smartwatch economico, dichiarato impermeabile, ha rinunciato al suo povero fantasma una volta immerso in una piscina…:(Quindi ero arrabbiato per l'acquisto di orologi (un altro costoso - anche l'orologio ha rinunciato - la sua batteria proprietaria di piccole dimensioni non ha avuto possibilità di essere sostituita…).

D'altra parte, i progetti di orologi fai-da-te esistenti per il mio gusto erano per lo più pesanti o troppo rustici, quindi ho deciso di costruire il mio orologio, avendo così la possibilità di includere le mie caratteristiche preferite!

Se lo desideri, puoi modificare il software, per realizzare le tue idee: ho commentato ogni riga (a seconda del programma scelto tra 700-800 righe…) – Ma attenzione: questo progetto è davvero impegnativo e sicuramente non per principianti ! La forma piccola e leggera (30 x 30 x 10 mm) richiede una manipolazione precisa della custodia stampata in 3D e un'attenta saldatura della scheda a 2 lati: sebbene esista l'opzione per l'ordinazione PCB della scheda (file Eagle e Gerber incluso) qui l'ho realizzato con il mio metodo specializzato Toner-Direct – istruzioni quindi incluse anche qui).

Proprietà dell'orologio:

- Il display OLED 128x64px mostra un orologio digitale e analogico, attivato con il pulsante destro, che mostra data, ora, livello della batteria e temperatura del polso. In alternativa (se lo desideri) può includere una sveglia o un timer.

- Viene visualizzato un calendario mensile completo premendo il pulsante sinistro per più di 0,6 secondi, evidenziando il giorno della settimana effettivo.

- Premendo brevemente il Pulsante Sinistro si seleziona un semplice Menu per scegliere Data, Ora (e Sveglia o Timer, se scelto da includere nel programma), valori da impostare con il pulsante Destra.

- Premendo due volte il pulsante destro si attiva un piccolo LED-"Torcia"-Luce, (buono per le notti nere).

- Tra le 22:00 e le 7:00 il display OLED viene automaticamente oscurato, (vedi lì, con una speciale funzione di attenuazione inclusa!) In modo che non si accechi di notte.

- La batteria agli ioni di litio dura quasi 2 anni, supponendo che il display + l'elettronica consumi circa 25 mA con una durata di 5 secondi accesa, visualizzando l'orologio circa 10 volte al giorno.

Passaggio 1: elenco delle parti

Strumenti necessari:

Se ti piace sperimentare con l'hardware e il software, hai bisogno di:

• Tagliere 8,2 x 5,5 cm AliExpress

• 3, 3V Power-Source regolato, come questo nello schema sopra o uno simile, di provenienza f.ex. da un connettore USB 5V (500mA). ⇒ AMS1117-Adj ⇒ ebay

• Adattatore da SMD SOIC-8 a DIP-8 pin per RTC-Chip ebay

• Atmel ISP-Programmer come "USBTiny" - AliExpress

• Arduino Pro Mini AliExpress

• Fili per ponticelli breadboard Banggood

(Elettronico-)Parti necessarie:

• ⇒ vedere file Html-BOM per parti elettroniche (Download).

• Il cartone a 2 lati per l'orologio stesso: ⇒ vedere il passaggio "Come realizzare un cartone a 2 lati con il metodo Toner-Direct".

• 1x - Batteria ø24 x 3mm - Batteria al Litio 3, 2V (pila a bottone) - CR2430 - AliExpress

• Nastro Kapton/Polymid da 25 mm per l'isolamento tra scheda/batteria e scheda OLED

• 1x cinturino da polso da 20 mm - consiglio un "cinturino per orologio da polso in acciaio inossidabile milanese" - ebay

• Custodia stampata in 3D: ⇒ vedere Download del file con le istruzioni (Passo).

Una tavola su due?

Nel caso in cui desideri realizzare una scheda su due (uC, RTC, altre parti E la scheda di guida OLED in una), puoi utilizzare il mio circuito + layout della scheda per il display SSD1306-I2C (vedi Download: Display OLED_SSD1306-I2C-Circuit.zip). Usando i 2 strati interi e isolandoli dal display e dalla batteria con il nastro Kapton, l'orologio potrebbe essere ancora di circa 1,5 mm più piatto.

Passaggio 2: Circuito elettronico

Prima di tutto dobbiamo conoscere le basi:

Questo orologio OLED è realizzato con un chip RTC DS3231 (orologio in tempo reale in una forma SMD SO-8 più piccola), che è guidato dal noto ATMega328P-(Arduino)-µController e, a differenza del soft normalmente utilizzato -StandBy (del µController) - questo orologio è dotato di uno spegnimento elettrico completo dopo 5 secondi, oltre all'RTC. Ho effettuato questo spegnimento con due transistor mosfet, che funge da "interruttore a levetta" in combinazione con l'uC e il pulsante destro (D8).

Due piccoli pulsanti su entrambi i lati del case (D6 e D8) fungono da ingressi, che gestiscono il menu e le impostazioni dell'orologio.

L'orologio ha un Display Data+Ora, (Alarm-Display - se incluso nel programma), una Torcia e un Calendario del mese+giorno effettivo. Nel 2°. versione ho incluso un allarme, può essere sostituito anche con un timer.

Il display è oscurato tra le 23:00 e le 7:00 (23:00 e 07:00) di notte.

Funzione dei 2 pulsanti (a sinistra e ea destra):

• Tasto CHANGE D8, (a destra), premendo:

1x = attivazione uC/Display, quindi visualizzazione ora+data, ecc. per circa 5 secondi prima dello spegnimento (=display spento).

2x = accendi la torcia/torcia.

3x = torna alla modalità Normale (=Modalità-0).

• Pulsante SELECT D6 (a sinistra):

Premendo D6 una volta si seleziona MODE, scorrendo le modalità da 1-10, per modificare data/ora, ecc. (dow, giorno, anno, ora, secondi, sveglia… on/off).

Il pulsante-D8 a destra aumenta i valori di MODE selezionati, impostati e salvati selezionando il MODE successivo (con il pulsante-D6) di sinistra…

Per modificare i secondi, impostare l'orologio +1 minuto, quindi premere il pulsante destro (D8) a 59 secondi per sincronizzarsi con un orario esterno.

La sincronizzazione dell'ora/data è anche possibile scaricando l'ora del PC per file batch: Serial-Connection su un Arduino esterno - da lì ai quattro I2C-Pin del Clock-OLED. (L'uC dell'orologio rimane disattivato in questo tempo, per questo scopo ho incluso le 2 R di 4.7kΩ, R7 e R8 - ponticellale se non utilizzate!)…

• Calendario mese/data:

Se il pulsante sinistro (D6) viene premuto per più di 0,6 secondi, viene visualizzato un calendario mensile effettivo. Nessuna autodisattivazione! Premendo nuovamente uno dei due Pulsanti si esce dal Calendario.

• ALLARME: (se incluso nel programma software + fornito con un tweeter hardware o un micro-piezo-beeper)

Può essere impostato per emettere un segnale acustico in corrispondenza dell'orario ogni giorno alla stessa ora (24 ore, 60 minuti). Un asterisco in alto a destra del display indica se l'allarme è "On" o meno. Un'utile alternativa al Programma-Allarme forse sarebbe un Timer… (da fare).

• Batteria:

La batteria è una batteria al litio CR2430 (ø24x3mm) con circa 300mA di potenza. Un Simbolo Batteria indica il livello (analogico) della batteria (3, 25V=piena, 2, 75V=scarica). L'orologio funziona con tensioni da +5, 0V fino a +2, 0V (predefinito: 3, 0V). Solo il Flash-LED funziona da max. +4, 0V fino a +2, 7V. Attenzione: non attivarlo con 5V! - questo è troppo per il LED - scade in pochi secondi, anche se dotato di una resistenza di 33Ω. La tensione massima assoluta per il processore e l'RTC è 5, 25 V (+5 V USB per programmare l'uC direttamente per ISP, senza bootloader!).

• Temperatura:

L'RTC ha un sensore di temperatura integrato (per correggere la deviazione della temperatura del cristallo integrato), quindi possiamo usarlo per visualizzare la temperatura (del polso).

• Flash-LED:

Se il pulsante CHANGE (D8) viene premuto due volte, una luce relativamente intensa "brilla nell'oscurità". All.: Nessuna autodisattivazione! Solo premendo nuovamente questo tasto destro si disattiva questo LED, mostrando la visualizzazione normale per circa 5 secondi.

• Pin Soft-Reset: un pin Reset (D7) ripristina tutti i dati memorizzati se messo a terra (case aperto: lato in basso a destra). Utilizzato durante la programmazione del tempo, in breve per un "soft-reset" di tutti i valori di input…

Il circuito:

Se osserviamo lo schema, a sinistra c'è il µController "Arduino" nudo (ATMega328-P), attivato con il Pulsante destro (D8) sull'Ingresso D12: il Pulsante-D8 abbassa il Gate di P-Mosfet attraverso la Resistenza R5 e diodo D1, quindi il P-Mosfet si "accende" e collega VBAT con VCC: µController+Display si aggiorna!

Per vedere il "Principio di commutazione dei due Mosfet" ho caricato questo "Flip-Flop con due Mosfet" (File Eagle).

Dopo 5s il µC si spegne automaticamente tramite Output-D5, che disattiva entrambi i Mosfet, abbassando il Gate dell'N-Mosfet, quindi R5 (e Gate del P-Mosfet) sta andando "alto" e il P-Mosfet taglia il corrente del µC e del display OLED. VCC che scende tiene il Gate di N-Mosfet giù attraverso R3 e R6 (al di sotto della sua tensione di soglia del Gate), quindi il circuito rimane spento.

In alto a sinistra vediamo la tensione VBAT "ingrandita" attraverso un semplice LED bianco con circa 2,5V, ridimensionato con 100k da VBAT (circa 3,2V) a circa 1,1V (max), che viene utilizzato come Ingresso analogico interno per misurare l'effettiva tensione della batteria.

µController, RTC e display OLED comunicano tramite I²C, una comunicazione a 2 fili semplice ed efficace, implementata per libreria.

Per saldare le parti SMD è utile utilizzare una piccola pinzetta con estremità appuntite, quindi afferrare le parti SMD piccole sarebbe più facile da maneggiare (posizionare) e saldare quindi con una punta di saldatura fine, saldando prima un lato dell'SMD -Parte, preriscaldando il punto di saldatura a circa 330°C prima di aggiungere filo di stagno a basso punto di fusione (ø 0,5 mm) al punto di saldatura.

Scarica il layout Circuito + Scheda:

Passaggio 3: hardware: come realizzare una scheda a 2 lati con il metodo diretto del toner

Se desideri acquistare la scheda a 2 lati, qui vengono forniti Eagle + (necessari) file Gerber (download).

Se ti piace realizzare la lavagna da solo, ti mostro un metodo preciso per realizzare una lavagna a 2 lati per "TonerDirect".

1. Stampare il file "OLED-Clock-2-nl_TonerDirect.pdf" su "Carta trasferimento toner", 2. Ritaglia le 2 strisce della carta, una per ogni lato del cartone, 3. con aghi da ø 0,5 mm pungere con precisione i 4 angoli della tavola (usa una lente d'ingrandimento con una luce intensa - è molto importante pungere gli aghi con la massima precisione possibile nel mezzo delle 4 vie d'angolo!).

4. Stampare (su un normale foglio bianco) il file "OLED-Clock-2-nl_Frame.pdf" e incollare il risultato su un circuito stampato in rame a 2 lati (spessore 0,5-0,8 mm). Segare la tavola con circa 2-3 mm di tolleranza in più (qui circa 35 x 35 mm), quindi praticare i 4 fori con precisione sugli angoli con un trapano da 0,6 mm. Dopo questo passaggio rimuovere la carta con acetone e macinare i 2 lati in rame della tavola con carta abrasiva fine (min. 400). Dopo questo passaggio non toccare più la scacchiera con le dita vuote! È consentito impugnarlo lateralmente (con le dita pulite).

5. Segna la direzione congruente del Toner-Trasferimento-Carta sui 2 lati non stampati!

6. Pungi gli aghi attraverso la carta, poi attraverso il cartone e infine pungili attraverso la carta opposta.

7. Dopo aver ottenuto i tre "strati" esattamente congruenti, sostituire gli aghi con 4 pezzi di filo di rame da 0,5 mm, piegati a un'estremità a 90°, in modo che non fuoriescano. Dopo questo passaggio piegare i fili dall'altro lato di 90° e tagliare le estremità.

8. Così preparato, questo pezzo può passare 3 volte attraverso un toner-laminatore (modificato), riscaldato fino a 200°!

9. Tagliare i piccoli pezzi di filo da 0,5 mm e rimuovere i restanti resti di filo. Quindi rimuovi le due carte e voilá: il toner si attacca saldamente al rame.

10. Controlla le linee pulite: se una linea è rotta, possiamo ripararla con una penna permanente resistente all'acqua. Nella maggior parte dei casi solo superfici maggiori devono chiudere pochi piccoli fori. Altrimenti (se il risultato è insoddisfacente), rimuovi il toner con carta da cucina e acetone e ripeti i passaggi 1-9.

11. Incisione pulita: incisione le mie tavole di rame fai-da-te con una soluzione di persolfato di sodio (uno-due cucchiaini) con un livello di circa 5 mm di acqua in un classico pirofila (1-1, 5L), questa soluzione riscaldata fino a circa 80°C (lo so, questa temperatura relativamente alta distrugge il persolfato, ma attacca molto più velocemente come con temperature più basse e rende i bordi netti e puliti in pochi minuti). Lascio che il restante persolfato si inumidisca dopo essersi asciugato completamente e gratto i cristalli, raccogliendoli in un vecchio barattolo per il riciclaggio!

11. Controllare le linee di rame e le superfici con una lente d'ingrandimento.

12. Rimuovere i bordi sporgenti con una smerigliatrice a nastro verticale (come nel mio primo istruibile) e controllare le dimensioni con un calibro a corsoio: i 2 lati del bottone devono essere paralleli, con una distanza di 27,4 mm, ma attenzione a non molare- fuori i 2 pulsanti-contatti!

Passaggio 4: software e flashing

Programmazione della scheda:

Il programma è scritto in C++, quindi possiamo modificarlo con un semplice editor ASCII, e occorreva leggere le spiegazioni alla fine di ogni riga…

Importante: non possiamo usare il Serial-Flashing di Arduino per programmare il µC, perché il bootloader impiega troppo tempo tra "Start" (premendo il pulsante D8) e "Display-On". Quindi dobbiamo flasharlo senza Bootloader (usato normalmente su tutte le schede Arduino). Quindi, programmiamo la nostra scheda per (Atmel) ISP-Connector + Programmer. Il connettore ISP realizzato qui (a bordo) è realizzato con 6 mini connettori femmina scomposti in fila e saldati all'interno sul lato destro della scheda, quindi collegati con una (piccola!) barra a 6 pin (2,54 mm- griglia), come nell'ultima foto del passaggio precedente.

Hai bisogno non solo della GUI di Arduino, ma di qualche libreria in più (da scaricare) per compilare il programma:

- La libreria Wire (contenuta nel programma Arduino) - per la comunicazione per I²C betw. µC, RTC e display OLED

- Libreria EEPROM (contenuta anche nel Programma Arduino) - per memorizzare più valori sul µController

- "Adafruit_GFX" + "Adafruit_SSD1306" - entrambe le librerie per guidare il display OLED

- EnableInterrupt - per lavorare con le porte/pin-interrupt di Arduino (⇒ Button-Inputs)

-DS3231-RTC-chip: non ho bisogno di una libreria, ho scritto le funzioni di diverse librerie trovate su Internet ed essendo più semplice da usare così. Sono inclusi alla fine del programma principale ("OLED-Clock-2-nl.ino").

Attenzione: la libreria Adafruit non ha (finora) una gestione efficace per attenuare il chip OLED, quindi ho copiato una stringa da Internet e l'ho incollata alla fine della libreria "Adafruit_SSD1306", con la quale si può attenuare display, un po' più utile… (⇒ vedi il Download del componente aggiuntivo " Come impostare la luminosità su display OLED.zip ", qui alla fine).

Funzionando con 3, 2V - quindi usando gli 8Mhz interni (senza 16Mhz-Crystal):

Il µC qui è abbastanza veloce da funzionare senza un cristallo da 16 MHz, quindi (con 3,2 V dalla batteria) possiamo usare gli 8 MHz interni preprogrammati (una parte in meno da saldare:-).

Dopo aver caricato e compilato il programma fornito "OLED-Clock-2-nl.ino" nella GUI di Arduino, (download), copiare il risultato.hex nella cartella avrdude.

(il file.hex compilato si trova nella cartella temporanea del PC, lì in una sottocartella come:

"C:\Tmp\arduino_build_646711\xyz.ino " - al suo interno puoi trovare il file esadecimale compilato desiderato, in questo caso il nostro "OLED-Clock-2-nl.ino.hex".

Il file esadecimale ora può essere flashato (qui "manualmente" per avrdude su una riga di comando) tramite un connettore ISP, ma è necessario un programmatore come USBTiny o un AVRISP2 con un connettore ISP a 6 pin (il mio connettore ISP è Fai da te un piccolo connettore a 6 pin come mostrato nella mia ultima foto, quindi puoi riprogrammare la scheda in qualsiasi momento se necessario).

Ora collega il programmatore a 6 pin alla scheda (suppongo che l'esperienza con le schede Arduino sia nota) …

Connected, su una finestra di comando (su Windows cambia nella cartella avrdude, quindi digita cmd) - incolla questa riga seguente:

avrdude.exe -C avrdude.conf -v -V -p m328p -c usbtiny -e -D -U flash:w:OLED-Clock-2-nl.ino.ino.hex:i

Terminato il lampeggio del µController, occorre impostare i "fusibili" appropriati (del µController):

avrdude -p atmega328p -c usbtiny -U lfuse:w:0xFF:m -U hfuse:w:0xD7:m -U efuse:w:0xFF:m -U lock:w:0x3F:m

Se desideri modificare una di queste impostazioni, puoi trovare ulteriori informazioni su questo calcolatore di fusibili online.

Passaggio 5: il caso

Non solo la realizzazione della scheda elettronica è impegnativa, ma anche una custodia piccola e leggera per questa scheda!

Qui per scaricare la mia custodia progettata, con un adattatore batteria CR2032 possibile, per inserire una batteria usata più comunemente. La scheda elettronica e la batteria devono essere completamente isolate l'una dall'altra con un Kapton-Polimid-Tape o una valida alternativa. Non utilizzare un semplice nastro adesivo, è troppo debole per isolarlo con forza e può causare cortocircuiti nella batteria!

Ho sperimentato molti layout (per PLA stampato in 3D) e ho concluso con uno spessore della parete di circa 1,3 mm. In questa forma le forze provenienti dal cinturino da polso vengono trattenute in modo efficiente attraverso entrambi i lati della custodia in combinazione con il coperchio a scatto. Gli altri lati potrebbero essere più magri, circa 1,0 mm…

Quindi, modificare l'altezza del case (in caso di modifica della scheda…?) non sarà un grosso problema.

Inoltre, se avessi una sveglia o un timer all'interno, hai bisogno di un altro caso, quindi ho fatto una proposta su come inserire un piccolo piezo-tweeter (o ad esempio questo micro-altoparlante: CUI-15062S) … (Vedi Caso-2).

Dopo la stampa della custodia (con un'altezza dello strato consigliata di 0,1 mm e circa il 50% di riempimento con "sovrapposizione a muro") devi sbavare le corde laterali superanti, limando i bordi abbastanza arrotondati, ma non troppo… A un po' più impegnativo è limare i 4 piccoli snap-in del coperchio con un angolo retto di ~100-120°, in modo che si incastrino nella custodia abbastanza forte, ma senza dilatarla o romperla - né che il coperchio risulti troppo piccolo per restare fisso…

Anche il foro quadrato per l'OLED deve essere limato con attenzione, facendo corrispondere esattamente il contorno del vetro OLED, senza romperlo mentre si cerca di inserire la scheda + il display OLED (ora insieme). Quindi fai attenzione a archiviare e provare ripetutamente per vedere se tutte le parti si adattano.

Le canne fumarie risultanti sono meglio rimosse con un taglierino affilato.

Ora puoi inserire il cinturino da polso con un pezzo di filo di ottone (ø1 mm, lunghezza: 28,5 mm). Per questo i 2 fori delle staffe della custodia devono essere forati in modo tale che il filo passi attraverso, ma poi si attacchi saldamente alle staffe.

Prima di armare la custodia con elettronica e cinturini, è possibile smaltarla con vernice (consiglio spray diluente per autoveicoli: si asciuga più velocemente, attaccando meno polvere sulle superfici!). Consiglio anche di trattarlo prima con uno spray a fondo (più sottile), che poi può essere carteggiato fino a ottenere una superficie liscia e fine senza linee stampate e difetti. Personalmente preferisco una finitura dorata o argentata, o anche una finitura in legno sarebbe carina - questa è una tua scelta…

Passaggio 6: Conclusioni

Considerazioni sulla batteria:

La batteria agli ioni di litio CR2432 ha una capacità di circa 300 mAh, quindi dura circa 2 anni, se si visualizza l'orologio circa 10 volte (ogni 5 secondi) al giorno. Quindi puoi sostituirlo con una batteria agli ioni di litio CR2032 più comune disponibile (ma più piccola), che contiene circa 1, 4 anni con i suoi 210 mA.

Ho cercato anche una batteria a bottone al litio ricaricabile come il (comune) CR2430 e ho trovato questo: "LIR-2430". Questa batteria ha solo una capacità di circa 50 mA, ma è ricaricabile f.ex. tramite un power-transfer wireless… A tale scopo ho realizzato una sonda e puoi vedere il risultato nello schema + layout incluso. Il trasferimento di potenza stesso fa il lavoro molto bene. Incidere una bobina piatta di circa 30 spire su un coperchio piatto di epoxi-board, rimane una cosa da fare… Per caricare la batteria ho proposto un semplice circuito di carica con un LED bianco e 2 diodi Schottky per limitare la tensione di fine carica per questo si ricarica ad un massimo di circa 3.6V…

Infine – MOLTO importante:

!!! NON CARICARE MAI UNA BATTERIA NON RICARICABILE AGLI IONI DI LITIO!!! - potrebbe esplodere e prendere fuoco!

Curiosamente ho sperimentato con una (non ricaricabile) CR2430 Li-Ion-Button-Cell, -per precauzione- in un barattolo chiuso…Dopo circa un'ora, caricando a 3,3V costanti, ho notato una piccola deformazione convessa della cassa… e sebbene la tensione di questa batteria sia aumentata da 2,8 a 3,2 V, la capacità alla fine è stata notevolmente ridotta! – quindi una ricarica non ha senso: queste Button-Cells sono davvero NON ricaricabili.

Rimangono da fare:

• una funzione Timer (basata su software) + (hardware + custodia)-Tweeter o Vibratore-Motore

• un circuito di ricarica wireless

• Finitura lucida in metallo o legno.