VizTimer: la clessidra elettronica: 28 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Quando nostro figlio aveva circa tre o quattro anni, abbiamo iniziato ad aspettarci che facesse le cose in modo tempestivo. Direi cose come "Dobbiamo andare tra dieci minuti!" o "Gioca con quel camion per altri cinque minuti, e poi dai un turno a qualcun altro". Il problema era (a) non riusciva a leggere un orologio, né digitale né analogico, e (b) non aveva idea di quanto sia lungo un minuto. Mi sono reso conto che aveva bisogno di un modo chiaro per vedere come sono cinque o dieci minuti ed essere in grado di tenere traccia del tempo rimanente. Quindi, ho deciso di progettare e costruire un timer visivo. Avevo visto molte varianti, incluso il classico timer per le uova, ma mi sembrava che la metafora della rotazione non fosse intuitiva per i bambini molto piccoli: si tratta solo di guardare gli angoli e le frazioni di un cerchio. Una volta che ho optato per un design più lineare, l'idea di una clessidra elettronica mi è sembrata ovvia: fornisce la giusta metafora visiva e potrei usare un accelerometro per implementare l'ergonomia di girarla per avviare e fermare il timer.

Il mio progetto finale, che ti mostrerò qui, è relativamente semplice. La parte visiva è costituita da una striscia di LED RGB indirizzabili individualmente (es. WS2812). La programmazione avviene con un solo pulsante (un pulsante a sfioramento capacitivo, perché è piatto). Un microcontrollore compatibile con Arduino (un Adafruit Metro) esegue il programma e legge le informazioni di orientamento da un accelerometro analogico a 3 assi. L'alimentazione è fornita da una batteria ricaricabile estratta da un power bank del telefono (uno standard 18650 agli ioni di litio). La cosa bella del power bank è che include il circuito di ricarica, una porta micro-USB e emette 5V, che è ciò che si aspettano il microcontrollore e la striscia LED.

A seconda del tuo livello di esperienza, probabilmente puoi realizzare questo timer in un fine settimana o due. Avrai bisogno di abilità di saldatura di base e degli strumenti e dei materiali di consumo associati. La variabile più grande è il recinto: ho utensili elettrici per la lavorazione del legno che semplificano questo lavoro, ma parlerò anche di modi alternativi per costruire il recinto senza molti strumenti.

Passaggio 1: materiali e strumenti

MATERIALI

Per l'elettronica:

• Power bank portatile per telefono cellulare (con batteria a cilindro 18650) - la fascia di prezzo è enorme, ma non pagare più di $ 10
• Interruttore a bilanciere a 2 pin -- qualcosa del genere:
• Terminali per l'interruttore: è utile un kit:
• Microcontrollore AVR - Alimentazione 5V con almeno tre ingressi analogici. L'Adafruit Metro Mini è perfetto.
• Accelerometro a 3 assi -- Adafruit vende una scheda breakout ADXL335.
• Pulsante a sfioramento capacitivo: Adafruit vende una pulsantiera completa.
• Piccola breadboard di prototipazione (una con binari di alimentazione) -- Le schede Adafruit Perma-proto sono di buona qualità
• Piccolo connettore di alimentazione JST -- come questo:
• Striscia LED RGB indirizzabile (ad es. WS2812) -- ottieni la striscia da 144 LED/metri:
• Cavo Dupont a 3 fili con connettore femmina

• Cavo di collegamento (calibro 24 e 26)

Per il recinto

• Legno grezzo (spessore almeno 1,25 pollici) O compensato di vari spessori
• Striscia di legno per la parte superiore e inferiore (0,25 pollici di spessore)
• Piccolo foglio di plexiglass o acrilico
• Foglio di materiale di diffusione: i sottili tappetini da taglio in plastica sono fantastici:
• #6 viti, testa piatta e testa piatta, 5/8 pollici
• Zinsser gommalacca, poliuretano lavabile
• Nastro, colla, carta vetrata

UTENSILI

• Tagliafili e spellafili
• Saldatore
• Seghetto alternativo
• Seghe per legno
• Trapano, punte da trapano, inclusa punta per svasatore
• Scalpelli e lime
• Taglierina per plexiglass o taglierino

LAVORAZIONE DEL LEGNO

• Sega da banco
• Sega a nastro
• Sega a sciabola
• Trapano

Passaggio 2: preparare la batteria

Il primo passo è smontare il caricatore portatile e rimuovere il connettore USB A. Questi dispositivi sono piuttosto semplici: hanno una batteria agli ioni di litio 18650 e una piccola scheda che contiene i circuiti di carica e scarica. In genere ci sono due spine: una micro-USB per caricare la batteria (ingresso) e una USB A più grande per fornire alimentazione ai cavi di ricarica del telefono (uscita). Utilizzeremo l'uscita per alimentare il timer, quindi non è necessario il connettore USB A. Usa una combinazione di saldatore e pinze per rimuoverlo.

NOTA: Fare attenzione a non danneggiare i cavi lasciati sulla scheda. Dovremo usare i due esterni.

Passaggio 3: aggiungere i connettori di alimentazione

Inizia saldando un filo da 24 AWG su ciascuno dei cavi di alimentazione dove si trovava il connettore USB A. Uso il rosso e il nero per aiutarmi a ricordare quale è l'alimentazione (5V) e quale è la massa. Sul lato alimentazione, aggiungere un terminale che si adatti ai cavi dell'interruttore di alimentazione. Preparare un secondo filo rosso con un terminale a un'estremità.

Se colleghi i due terminali all'interruttore, dovresti avere due estremità dei fili a sinistra: una rossa e una nera. Uniscili a un lato di un connettore JST. Mi piacciono i connettori JST per i collegamenti di alimentazione perché la forma del connettore ti impedisce di collegarlo nel modo sbagliato e di friggere il tuo circuito.

Preparare un filo rosso e nero con l'altro lato del connettore JST.

Assicurati che i fili siano abbastanza lunghi da raggiungere la lunghezza del timer (vedi foto successive). È facile da tagliare o semplicemente inserire un filo extra.

Passaggio 4: assemblare la scheda di controllo

La scheda di controllo è abbastanza semplice, ma ci sono alcuni dettagli a cui prestare attenzione. Inizia con un perma-proto wide che ha lo stesso schema di cablaggio dei pin di una breadboard standard (nota i binari di alimentazione). Taglialo quanto necessario per renderlo il più piccolo possibile, lasciando i binari di alimentazione e abbastanza fori per i pin in modo da poter aggiungere i cavi di collegamento necessari.

Saldare il microcontrollore e l'accelerometro alla scheda utilizzando intestazioni standard. NOTARE l'orientamento delle due schede:

• Assicurati che il connettore micro-USB sia rivolto verso il bordo della scheda, in modo che tu possa ancora accedervi per la programmazione.
• Nota l'orientamento dell'accelerometro perché tale scelta determinerà ciò che considera "su" vs "giù".

Passaggio 5: alimentazione del cavo e accelerometro

Decidi quale delle linee di alimentazione sarà a 5 V e quale sarà a terra. Aggiungi piccoli segmenti di filo dai binari di alimentazione all'alimentazione e alla massa su entrambe le schede breakout.

Aggiungi tre fili per collegare le tre uscite dall'accelerometro a tre pin di ingresso analogico sul microcontrollore. Sul mio set ho collegato l'uscita X ad A2, l'uscita Y ad A1 e l'uscita Z ad A0.

Passaggio 6: cablare il connettore di alimentazione

Saldare il lato libero del gruppo connettore JST alla scheda di controllo. Prestare attenzione alla polarità: assicurarsi che il filo rosso sia saldato al binario di alimentazione 5V e quello nero al binario di terra.

Passaggio 7: cablare la striscia LED

In questo passaggio deciderai la dimensione complessiva del timer perché vogliamo che la striscia LED funzioni per tutta la lunghezza. Ho scelto una striscia LED con 30 LED con una densità di 144 LED/metro. L'altezza totale è di circa 8 1/2 pollici. Ho disposto tutte le parti sul legno grezzo per assicurarmi che si adattasse.

La maggior parte di queste strisce può essere tagliata a qualsiasi lunghezza: assicurati solo di tagliare nel punto specificato in cui i cuscinetti sono esposti. Saldare tre fili sui pad esposti all'estremità di ingresso della striscia. La maggior parte delle strisce ha una sorta di indicatore, come una piccola freccia, che mostra la direzione del viaggio dei dati. L'alimentazione può essere collegata a entrambe le estremità, ma i dati devono andare nella direzione corretta lungo la striscia.

Assicurati che i cavi siano abbastanza lunghi, in modo che possano avvolgersi dalla parte anteriore del timer alla scheda di controllo. Saldare i cavi di alimentazione nelle guide di alimentazione sulla scheda di controllo e saldare il cavo dati a uno dei pin digitali sul microcontrollore.

Passaggio 8: aggiungi il pulsante tattile capacitivo

Come l'interruttore di alimentazione, il pulsante a sfioramento capacitivo necessita di un connettore rimovibile a causa del modo in cui è collegato al timer. La mia strategia qui è saldare le intestazioni dritte sul pulsante, quindi saldare un cavo Dupont a tre fili alla scheda di controllo. Il connettore Dupont "femmina" si adatta perfettamente alla spaziatura sui pin dell'intestazione.

Salda i cavi di alimentazione e di massa ai binari sulla scheda di controllo, come hai fatto per la striscia LED. Collega la linea dati (che leggerà "high" quando il pulsante viene premuto) a uno dei pin di ingresso digitale sul microcontrollore.

Il circuito completo è mostrato nella foto finale. A questo punto puoi accenderlo e, se vuoi, caricare il codice e testarlo.

Passaggio 9: disponi l'involucro

Il mio recinto è costituito principalmente da una lastra di acero lunga circa 8 1/2 pollici, larga 2 1/2 pollici e spessa 1 1/4 pollici. Usa la striscia LED come guida per tagliare la lunghezza, aggiungendo 1/8 di pollice in più per cavi e spazio.

L'elettronica dovrebbe adattarsi comodamente alla lastra di legno, con la batteria e l'interruttore nella metà inferiore e la scheda di controllo nella metà superiore. Il timer finale avrà effettivamente due spazi di custodia separati per questi componenti.

Passaggio 10: contenitori alternativi

Mi rendo conto che non tutti hanno gli strumenti necessari per realizzare il recinto descritto nei prossimi passaggi. Ci sono alcune alternative che risultano comunque molto carine.

Una strategia che si tradurrà in un recinto molto bello e dall'aspetto moderno è tagliare pezzi di compensato nelle forme necessarie e incollarli insieme come un sandwich. Questo approccio può essere realizzato con pochi strumenti manuali. È possibile ottenere piccoli pezzi di compensato di alta qualità in vari spessori nei negozi di articoli per hobby e arte.

Passaggio 11: taglia la parte anteriore

Nel mio primo prototipo di questo timer, ho forato e cesellato gli spazi per l'elettronica, il che si è rivelato un enorme dolore e non sono mai riuscito a farlo sembrare completamente pulito. Invece, ho rivisto il legno grezzo, cioè l'ho tagliato in due tavole della stessa dimensione, ma di diverso spessore. La parte sottile diventa il frontale solido, mentre la parte più spessa diventa la parte che contiene l'elettronica.

Per assicurarmi che gli spazi siano abbastanza grandi, utilizzo lo spessore della batteria per determinare dove tagliare. Questo passaggio può essere eseguito con una sega a mano, ma l'utilizzo di una sega a nastro lo rende più semplice e preciso.

SUGGERIMENTO: Segna la fine della tavola con un triangolo o un altro segno subito dopo averla tagliata, in questo modo puoi facilmente ricordare esattamente come le due tavole tornano insieme.

Passaggio 12: disporre e tagliare lo spazio per l'elettronica

Lavorando con la parte spessa, dispongo la forma approssimativa del timer. Le pareti del recinto saranno spesse circa 3/8 di pollice. Usa la tua elettronica come guida per le dimensioni degli spazi: la batteria deve stare nello spazio inferiore, la scheda di controllo deve stare nello spazio superiore.

Inizia perforando gli angoli degli spazi. Rimuoveremo completamente questi rettangoli, che è un lavoro rapido con una sega a sciabola. Pulisci i bordi usando una lima e/o carta vetrata.

Ora puoi assemblare a secco la custodia e assicurarti che l'elettronica si adatti davvero!

Passaggio 13: tagliare i fori per i connettori

È molto più facile tagliare i fori per l'interruttore di alimentazione e la micro USB (per la ricarica) prima di incollare insieme il gruppo. Misura utilizzando l'interruttore effettivo e la scheda di ricarica e taglia usando una piccola sega. Pulisci con i file per ottenere una vestibilità aderente.

Abbiamo anche bisogno di tagliare un canale tra le due camere del recinto per collegare l'alimentazione. Puoi usare qualsiasi combinazione di scalpelli e seghe: questa parte non deve essere carina perché non sarà visibile. Ma assicurati che sia abbastanza largo da consentire il passaggio del connettore JST.

Passaggio 14: incollare l'involucro insieme

Incolla insieme i due lati della custodia. Guarda attentamente i tuoi segni e le venature del legno per assicurarti di incollarli di nuovo insieme nel modo giusto. Vuoi che il risultato finale sembri come se non avessi mai tagliato la tavola!

Ho trovato difficile mantenere le schede allineate durante il bloccaggio, quindi ho usato un grande morsetto parallelo in alto e in basso per evitare che tutto scivoli.

Passaggio 15: crea la parte superiore e inferiore

I pezzi superiore e inferiore possono essere di qualsiasi dimensione e forma e qualsiasi legno ti piaccia. L'unico requisito è che sia abbastanza spesso da ospitare la scheda breakout del pulsante a sfioramento capacitivo.

La parte che ho trovato più impegnativa di questo passaggio è allineare i pezzi quando ho praticato i fori per le viti. La mia strategia è di praticare prima i fori nei pezzi superiore e inferiore, quindi allinearli e segnare i fori alle estremità del timer. Assicurati di svasare i fori delle viti abbastanza da non far sporgere le viti, altrimenti il timer traballerà quando proverai a metterlo in piedi.

Ho ancora finito con parti leggermente storte. Puoi risolvere questo problema incollando uno stuzzicadenti nel vecchio foro, aspettando che si asciughi, tagliandolo e praticando un nuovo foro.

Passaggio 16: tagliare la rientranza per il pulsante a sfioramento capacitivo

Il pulsante a sfioramento capacitivo si trova all'estremità del timer più vicino alla scheda di controllo. Questa è la fine che sarà su quando imposti il timer e giù quando è in esecuzione. Come per le viti, è importante che il pulsante non sporga dal legno, altrimenti il timer sarà instabile quando lo si capovolge.

Misurare e praticare un foro abbastanza grande da ospitare i pin della scheda e il connettore Dupont a 3 fili dalla scheda di controllo. Posiziona il pulsante in posizione e traccia il contorno del tabellone. Usando una combinazione di foratura e scalpellatura, forma una rientranza che consenta al pulsante di sedersi abbastanza in basso, in modo che non interferisca con il timer seduto in piano. Ho anche trovato utile tagliare i cavi sulla parte superiore della tavola per renderli il più corti possibile.

Passaggio 17: praticare i fori alla fine del timer per i cavi

Sia il pulsante a sfioramento capacitivo che la striscia LED necessitano di cavi che corrono dall'interno della custodia. Per fare spazio per loro, praticare due fori all'estremità del timer fino all'interno del recinto.

Il primo foro fa spazio ai tre fili che alimentano la striscia LED. La forma non è cruciale, ma devi ritagliare un po' della parte anteriore del timer in modo che possano piegarsi in avanti.

La seconda attesa va dalla scheda di controllo al pulsante a sfioramento capacitivo. La posizione e la dimensione di questo foro dovrebbero corrispondere al foro che hai tagliato nel passaggio precedente. Allinea la parte superiore e segna il buco. Forare e scalpellare fino a quando il connettore Dupont a tre fili non passa in modo pulito per connettersi al pulsante.

Passaggio 18: tagliare il supporto in plexiglass

Il retro del timer è in plexiglass trasparente, che contiene l'elettronica e li mostra! Traccia il contorno della custodia e usa uno strumento per segnare o un taglierino per incidere il plexiglass. Taglia la linea di frattura alcune volte per renderla profonda. Allineare la linea di frattura con il bordo del tavolo e con un rapido movimento verso il basso staccare il pezzo di plexiglass. Dovrebbe rompersi di netto.

Questa tecnica funziona solo con interruzioni che attraversano tutto il plexiglass, quindi potrebbero essere necessarie due interruzioni per ottenere la giusta dimensione. Lascia la pellicola protettiva per ora.

Passaggio 19: praticare i fori per il supporto

Allineare il plexiglass sul retro e fissarlo saldamente. Praticare un foro in ogni angolo per una piccola vite. Ho usato viti a testa bombata numero 6 da 5/8 . Fare attenzione a non perforare troppo nel legno. Centrare i fori delle viti nel legno disponibile ad ogni angolo per dare la massima tenuta.

Passaggio 20: contrassegnare l'allineamento posteriore

Un problema che ho riscontrato in passato è che ho dimenticato come era orientato il plexiglass quando ho praticato i fori. Piccole differenze nel posizionamento delle viti, tuttavia, spesso significano che non si adatterà in nessun altro modo. Piuttosto che indovinare, creo un segno che mi dice esattamente come dovrebbero essere orientati i pezzi.

Prima di rimuovere il nastro, usa una lima o una piccola sega per tagliare un incavo asimmetrico attraverso il plexiglass e il legno. Questo segno si allineerà solo quando i pezzi sono nella giusta posizione.

Passaggio 21: tagliare la forma a clessidra

Ora che il recinto è sostanzialmente finito possiamo tagliare la forma della clessidra. Le dimensioni esatte non sono critiche, ma assicurati di non indebolire troppo l'involucro tagliando vicino alle scatole interne.

Mantenendo il nastro adesivo, tagliare contemporaneamente il legno e il plexiglass. Ho usato una sega a nastro, ma la maggior parte delle seghe a mano può tagliare entrambi i materiali. Pulisci i tagli con lime e carta vetrata.

Passaggio 22: tagliare la scanalatura per la striscia LED

La parte anteriore del timer ha una scanalatura per ospitare la striscia LED e il materiale di diffusione. Allineare la striscia LED e tracciarne il contorno sul legno. Aggiungi una serie di linee parallele da 1/8 a 1/16 al di fuori di quelle linee per contrassegnare quando andrà il diffusore.

Questo passaggio è il più difficile senza gli strumenti elettrici adeguati. Ho usato una sega da banco con una lama dado per tagliare un canale profondo per i LED (le linee interne). Assicurati di non tagliare attraverso l'interno del recinto! Successivamente ho tagliato un canale poco profondo per il diffusore (le linee esterne). Prova ad adattare la striscia LED e assicurati che i cavi raggiungano comodamente la scheda di controllo.

Hai praticamente finito a questo punto!

Passaggio 23: carteggiare e rifinire

Carteggiare tutte e tre le parti in legno utilizzando carta vetrata 220 o superiore. Mi piace anche aggiungere una piccola smussatura lungo tutti i bordi ad angolo retto per dare alla custodia un aspetto più raffinato e per renderla più piacevole da tenere in mano.

Comincio con una o due mani di gommalacca, che affonda nel legno e mette in risalto le venature. Si asciuga velocemente, quindi non dovrai aspettare a lungo. Una volta asciutto, carteggiare leggermente con carta vetrata 320 o 400 per uniformare la superficie. Ma non esagerare: dovresti essere ancora in grado di vedere parte della finitura lucida.

Successivamente applico uno o due strati di poliuretano wipe-on, che è una finitura dura, ma attraente. Puoi lucidarlo leggermente con lana d'acciaio una volta che è asciutto.

Passaggio 24: assemblare l'elettronica

Avviare l'assemblaggio finale inserendo la striscia LED dall'interno della custodia attraverso il canale sulla parte anteriore. Staccare il nastro adesivo o utilizzare una piccola quantità di colla per fissare la striscia al canale.

Quindi, incolla a caldo il pulsante a sfioramento capacitivo nell'incavo nella parte superiore. Dovresti essere in grado di vedere i perni che sporgono dal fondo. Assicurati che il pulsante sia a filo (o più in basso) rispetto alla superficie della parte superiore, in modo che il timer non traballi.

Inserire la batteria nel vano inferiore e far passare il connettore USB. Usa della colla a caldo per assicurarti che sia sicuro nello spazio.

Aggiungere la scheda di controllo al vano superiore dell'armadio. Alimenta il connettore JST dalla batteria attraverso il canale nascosto al centro del timer. Collegarlo al connettore JST sulla scheda di controllo.

Fai passare il connettore Dupont a 3 fili dalla scheda di controllo attraverso il foro nella parte superiore e collegalo ai pin nella parte inferiore del pulsante a sfioramento capacitivo.

Spingere il pulsante di accensione/spegnimento attraverso il foro sul lato della custodia (dall'esterno), finché non si posiziona perfettamente in posizione. Collegare i due terminali dei cavi ai due cavi sull'interruttore.

Dovresti avere la configurazione mostrata nell'ultima foto.

Passaggio 25: terminare l'assemblaggio dell'involucro

Allineare il plexiglass e fissarlo in posizione con quattro viti. Avvitare i pezzi superiore e inferiore. Controlla l'allineamento di tutto e assicurati che il timer si trovi in piano sul tavolo su entrambe le estremità.

Passaggio 26: aggiungere il materiale di diffusione

Taglia una striscia di materiale di diffusione leggermente più larga del canale attorno alla striscia LED. In questo modo il diffusore si piegherà leggermente, mantenendolo in posizione senza colla e fornendo una maggiore diffusione. In generale, più il diffusore è lontano dai LED, più diffusi li rende.

Ci sono molti materiali adatti. Ho usato sottili tappetini da taglio in plastica (economici su Amazon) e questo "cartello da poster" di plastica (che è sottile e floscio, e non è affatto "cartello").

Passaggio 27: personalizza e carica il codice

Scarica il codice da github.com/samguyer/VizTimer. Avrai anche bisogno della libreria FastLED, che fornisce i driver di basso livello per i LED. Le parti che è più probabile che tu debba cambiare sono proprio in alto: i cinque pin (il pin LED, il pin tattile capacitivo e i tre pin dell'accelerometro). Potrebbe anche essere necessario impostare il numero di LED nella striscia.

Sentiti libero di esplorare e modificare il codice!

Collega la scheda di controllo al tuo computer e carica il codice. Dovrai rimuovere il supporto in plexiglass per accedere al connettore micro-USB sul microcontrollore.

Passaggio 28: come usarlo

L'obiettivo di questo progetto era rendere l'impostazione e l'esecuzione del timer il più semplice possibile.

Il timer ha tre modalità: modalità programma, modalità cronometraggio e modalità pausa. La modalità è determinata dall'orientamento del timer: modalità programma quando il pulsante a sfioramento capacitivo è in alto, modalità timer quando è in basso e modalità pausa quando il timer è su un lato.

MODALITÀ PROGRAMMA

Quando lo accendi per la prima volta vedrai un "cursore" giallo lampeggiante nella parte inferiore della striscia LED. Toccare il pulsante capacitivo per aggiungere il tempo con incrementi di 15 secondi. Ogni 15 secondi viene mostrato come un punto viola. Quando arrivi a 60 secondi, i punti viola vengono sostituiti da un punto blu, che rappresenta un minuto. Tenere premuto il pulsante per aggiungere continuamente minuti fino al rilascio del pulsante. Ogni punto del quinto minuto è colorato di bianco per rendere più facile vedere il totale.

MODALITÀ TEMPORIZZAZIONE

Girando il timer si avvia il conto alla rovescia. Tutti i punti iniziano illuminati, indipendentemente dal tempo totale: questa è stata una scelta di design da parte mia. Puoi anche programmarlo in modo che ogni punto significhi sempre la stessa quantità di tempo.

I punti cadono uno per uno fino allo scadere del tempo. Quindi il timer visualizza un "finale" colorato per circa 15 secondi. Per tornare alla modalità di programmazione, capovolgere il timer. Il cursore giallo verrà nuovamente visualizzato. Se si riavvia immediatamente il timer senza programmarlo, utilizzerà il tempo precedente.

Una bella aggiunta a questo timer sarebbe un piccolo altoparlante per riprodurre suoni, in particolare un suono di allarme alla fine.

MODALITÀ PAUSA

Durante la modalità cronometraggio è possibile mettere in pausa il timer ruotandolo di 90 gradi e appoggiandolo su un lato. I punti di temporizzazione si bloccano in posizione e pulsano delicatamente per indicare che il timer è in attesa di essere riavviato. Riportalo indietro per continuare il cronometraggio o nell'altro modo per tornare alla modalità di programmazione.

Spero che questo dispositivo vi piaccia tanto quanto me!