VizTimer: a ampulheta eletrônica: 28 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Quando nosso filho tinha cerca de três ou quatro anos, começamos a esperar que ele fizesse as coisas em tempo hábil. Eu dizia coisas como “Precisamos ir em dez minutos!” Ou “Brinque com aquele caminhão por mais cinco minutos e depois dê a volta para outra pessoa”. O problema era (a) ele não conseguia ler um relógio, seja digital ou analógico, e (b) ele não tinha noção da duração de um minuto. Percebi que ele precisava de uma maneira clara de ver como são cinco ou dez minutos e ser capaz de rastrear o tempo restante. Então, comecei a projetar e construir um cronômetro visual. Eu tinha visto muitas variações, incluindo o cronômetro de ovo clássico, mas senti que a metáfora de rotação não era intuitiva para crianças muito pequenas - é tudo sobre olhar os ângulos e frações de um círculo. Depois que me decidi por um design mais linear, a ideia de uma ampulheta eletrônica parecia óbvia: ela fornece a metáfora visual certa e eu poderia usar um acelerômetro para implementar a ergonomia de girá-la para iniciar e parar o cronômetro.

Meu projeto final, que mostrarei aqui, é relativamente simples. A parte visual consiste em uma tira de LEDs RGB endereçáveis individualmente (por exemplo, WS2812). A programação é realizada com um único botão (um botão de toque capacitivo, porque é plano). Um microcontrolador compatível com Arduino (um Adafruit Metro) executa o programa e lê as informações de orientação de um acelerômetro analógico de 3 eixos. A energia é fornecida por uma bateria recarregável retirada de um banco de energia do telefone (um íon de lítio padrão 18650). O bom do banco de potência é que ele inclui o circuito de carregamento, uma porta micro-USB e produz 5 V, que é o que o microcontrolador e a faixa de LED esperam.

Dependendo do seu nível de experiência, você provavelmente pode fazer este cronômetro em um ou dois finais de semana. Você precisará de habilidades básicas de soldagem e das ferramentas e suprimentos associados. A maior variável é o gabinete: tenho ferramentas elétricas para marcenaria que tornam esse trabalho mais fácil, mas também discutirei maneiras alternativas de construir o gabinete sem muitas ferramentas.

Etapa 1: Materiais e Ferramentas

MATERIAIS

Para a eletrônica:

• Banco de energia para celular portátil (com bateria de 18.650 cilindros) - a faixa de preço é enorme, mas não pague mais de US $ 10
• Botão basculante de 2 pinos - algo assim:
• Terminais para o switch - um kit é útil:
• Microcontrolador AVR - alimentação de 5 V com pelo menos três entradas analógicas. O Adafruit Metro Mini é perfeito.
• Acelerômetro de 3 eixos - Adafruit vende uma placa breakout ADXL335.
• Botão de toque capacitivo - Adafruit vende uma placa de botão completa.
• Prancha de ensaio de prototipagem pequena (uma com trilhos de alimentação) - As placas Adafruit Perma-proto são de boa qualidade
• Conector de alimentação JST pequeno - como este:
• Faixa de LED RGB endereçável (por exemplo, WS2812) - obtenha a faixa de 144 LED / medidor:
• Cabo Dupont de 3 fios com conector fêmea

• Fio de conexão (bitola 24 e 26)

Para o recinto

• Peça em bruto de madeira (pelo menos 1,25 polegadas de espessura) OU compensado de várias espessuras
• Tira de madeira para a parte superior e inferior (0,25 polegadas de espessura)
• Folha pequena de acrílico ou acrílico
• Folha de material de difusão - esteiras finas de corte de plástico são ótimas:
• # 6 parafusos, cabeça chata e cabeça panela, 5/8 polegadas
• Zinsser goma-laca, poliuretano de limpeza
• Fita, cola, lixa

FERRAMENTAS

• Cortadores de fio e decapantes
• Ferro de solda
• Serra de hack
• Serras de madeira
• Broca, brocas, incluindo broca escareadora
• Cinzel e limas
• Cortador de plexiglass ou canivete

WOODWORKING

• Serra de mesa
• Serra de fita
• Sabre viu
• Furadeira

Etapa 2: preparar a bateria

O primeiro passo é separar o carregador portátil e remover o conector USB A. Esses dispositivos são bem simples: eles têm uma bateria de íon de lítio 18650 e uma pequena placa que contém os circuitos de carga e descarga. Normalmente existem dois plugues: um micro-USB para carregar a bateria (entrada) e um USB A maior para fornecer energia aos cabos de carregamento do telefone (saída). Usaremos a saída para alimentar o temporizador, portanto, não há necessidade do conector USB A. Use uma combinação de um ferro de solda e um alicate para removê-lo.

NOTA: Tenha cuidado para não danificar os cabos deixados na placa. Precisaremos usar os dois externos.

Etapa 3: adicione os conectores de alimentação

Comece soldando um fio 24AWG em cada um dos cabos de alimentação onde estava o conector USB A. Eu uso vermelho e preto para me ajudar a lembrar qual é a alimentação (5V) e qual é o aterramento. No lado da alimentação, adicione um terminal que se encaixe nos fios da chave liga / desliga. Prepare um segundo fio vermelho com um terminal em uma extremidade.

Se você conectar os dois terminais ao switch, deverá deixar duas pontas de fios - um vermelho e um preto. Junte-os a um lado de um conector JST. Eu gosto dos conectores JST para conexões de alimentação porque o formato do conector impede que você conecte-o da maneira errada e frite o circuito.

Prepare um fio vermelho e preto com o outro lado do conector JST.

Certifique-se de que os fios sejam longos o suficiente para alcançar o comprimento do cronômetro (veja as fotos posteriores). É fácil de cortar ou apenas inserir arame extra.

Etapa 4: monte o painel de controle

A placa de controle é bastante simples, mas existem alguns detalhes a serem observados. Comece com uma perma-proto ampla que tem o mesmo padrão de fiação de pinos de uma placa de ensaio padrão (observe os trilhos de alimentação). Apare-o o quanto for necessário para torná-lo o mais pequeno possível, deixando os trilhos de alimentação e orifícios suficientes para que você possa adicionar os fios de conexão necessários.

Solde o microcontrolador e o acelerômetro na placa usando conectores padrão. OBSERVE a orientação das duas placas:

• Certifique-se de que o conector micro-USB esteja voltado para a borda da placa, para que você ainda possa acessá-lo para programação.
• Observe a orientação do acelerômetro porque essa escolha determinará o que ele considera "para cima" ou "para baixo".

Etapa 5: Ligue a potência e o acelerômetro

Decida qual dos trilhos de alimentação será de 5 V e qual será o aterramento. Adicione pequenos segmentos de fio dos trilhos de alimentação à alimentação e ao aterramento em ambas as placas de breakout.

Adicione três fios para conectar as três saídas do acelerômetro a três pinos de entrada analógica no microcontrolador. Em minha configuração, conectei a saída X a A2, a saída Y a A1 e a saída Z a A0.

Etapa 6: ligue o conector de alimentação

Solde o lado livre do conjunto do conector JST na placa de controle. Preste atenção à polaridade: certifique-se de que o fio vermelho esteja soldado ao barramento de alimentação de 5 V e o preto ao barramento de aterramento.

Etapa 7: conecte a faixa de LED

Nesta etapa, você decidirá o tamanho geral do cronômetro porque queremos que a faixa de LED funcione em toda a extensão. Eu escolhi uma faixa de LED com 30 LEDs a uma densidade de 144 LEDs / metro. A altura total é de cerca de 20 centímetros. Eu coloquei todas as peças na placa de madeira para ter certeza de que caberia.

A maioria dessas tiras pode ser cortada em qualquer comprimento - apenas certifique-se de cortar no ponto especificado onde as almofadas estão expostas. Solde três fios nas almofadas expostas na extremidade de entrada da tira. A maioria das tiras tem algum tipo de indicador, como uma pequena seta, mostrando a direção da viagem de dados. A energia pode ser conectada em qualquer extremidade, mas os dados devem ir na direção correta pela faixa.

Certifique-se de que os fios sejam longos o suficiente, para que eles possam passar da frente do cronômetro de volta para a placa de controle. Solde os fios de alimentação nos trilhos de alimentação da placa de controle e solde o fio de dados em um dos pinos digitais do microcontrolador.

Etapa 8: adicionar o botão de toque capacitivo

Assim como a chave liga / desliga, o botão de toque capacitivo precisa de um conector removível devido à forma como está conectado ao temporizador. Minha estratégia aqui é soldar conectores retos no botão e, em seguida, soldar um cabo Dupont de três fios à placa de controle. O conector Dupont "fêmea" se encaixa perfeitamente no espaçamento dos pinos da plataforma.

Solde os fios de alimentação e aterramento nos trilhos da placa de controle, como você fez para a faixa de LED. Conecte a linha de dados (que indicará "alto" quando o botão for pressionado) a um dos pinos de entrada digital no microcontrolador.

O circuito completo é mostrado na fotografia final. Neste ponto, você pode ligá-lo e, se desejar, fazer upload do código e testá-lo.

Etapa 9: Layout do gabinete

Meu cercado é feito principalmente de uma placa de bordo de cerca de 20 centímetros de comprimento, 6 centímetros de largura e 2,5 centímetros de espessura. Use a faixa de LED como guia para cortar o comprimento, adicionando 1/8 de polegada extra para fios e folga.

A eletrônica deve caber confortavelmente na placa de madeira, com a bateria e o interruptor na metade inferior, e a placa de controle na metade superior. O cronômetro final terá, na verdade, dois espaços separados para esses componentes.

Etapa 10: Gabinetes alternativos

Percebo que nem todo mundo possui as ferramentas necessárias para fazer o gabinete descrito nas próximas etapas. Existem algumas alternativas que ainda são muito boas.

Uma estratégia que resultará em um gabinete muito bonito e moderno é cortar pedaços de madeira compensada nos formatos necessários e colá-los como um sanduíche. Essa abordagem pode ser realizada com apenas algumas ferramentas manuais. Você pode obter pequenos pedaços de compensado de alta qualidade em várias espessuras em lojas de artigos para arte e hobby.

Etapa 11: corte na frente

No meu primeiro protótipo deste cronômetro, perfurei e escalei os espaços para os componentes eletrônicos, o que acabou sendo uma grande dor, e nunca consegui fazer com que parecesse completamente limpo. Em vez disso, cortei novamente a placa de madeira - isto é, cortei-a em duas tábuas do mesmo tamanho, mas com espessuras diferentes. A parte fina se torna a frente sólida, enquanto a parte mais espessa se torna a parte que mantém a eletrônica.

Para ter certeza de que os espaços serão grandes o suficiente, uso a espessura da bateria para determinar onde cortar. Esta etapa pode ser realizada com uma serra manual, mas com uma serra de fita é mais fácil e preciso.

DICA: marque o final da placa com um triângulo ou outra marca logo após cortá-la, dessa forma você pode facilmente lembrar exatamente como as duas placas voltam a ficar juntas.

Etapa 12: Organize e reduza o espaço para os eletrônicos

Trabalhando com a parte mais espessa, expus a forma aproximada do cronômetro. As paredes do recinto terão cerca de 3/8 de polegada de espessura. Use sua eletrônica como um guia para os tamanhos dos espaços: a bateria precisa caber no espaço inferior, a placa de controle precisa caber no espaço superior.

Comece perfurando os cantos dos espaços. Removeremos completamente esses retângulos, o que é um trabalho rápido com uma serra sabre. Limpe as arestas com uma lima e / ou lixa.

Agora você pode montar a seco o gabinete e certificar-se de que os componentes eletrônicos realmente cabem!

Etapa 13: Faça furos para os conectores

É muito mais fácil cortar os orifícios para o botão liga / desliga e o micro USB (para carregar) antes de colar o conjunto. Meça usando o interruptor e a placa de carregamento reais e corte com uma pequena serra. Limpe com arquivos para obter um ajuste perfeito.

Também precisamos cortar um canal entre as duas câmaras do gabinete para conectar a energia. Você pode usar qualquer combinação de cinzéis e serras - esta parte não precisa ser bonita porque não será visível. Mas certifique-se de que seja largo o suficiente para permitir a passagem do conector JST.

Etapa 14: colar o gabinete

Cole os dois lados do gabinete juntos. Observe atentamente as marcações e os veios da madeira para certificar-se de que está colando-os novamente da maneira certa. Você quer que o resultado final pareça que você nunca cortou o tabuleiro!

Achei complicado manter as placas alinhadas ao prendê-las, então usei uma grande braçadeira paralela na parte superior e inferior para evitar que tudo deslizasse.

Etapa 15: Faça a parte superior e a inferior

As peças superior e inferior podem ser de qualquer tamanho, formato e madeira que você quiser. O único requisito é que seja espesso o suficiente para acomodar a placa de breakout com botão de toque capacitivo.

A parte que achei mais desafiadora nesta etapa é alinhar as peças quando fiz os orifícios dos parafusos. Minha estratégia é fazer os furos nas peças superior e inferior primeiro, depois alinhá-los e marcar os furos nas pontas do cronômetro. Certifique-se de escarear os orifícios dos parafusos o suficiente para que os parafusos não se projetem - caso contrário, o cronômetro irá oscilar quando você tentar levantá-lo.

Ainda terminei com partes ligeiramente tortas. Você pode corrigir esse problema colando um palito de dente no orifício antigo, esperando que seque, cortando-o e fazendo um novo orifício.

Etapa 16: Corte o recesso para o botão de toque capacitivo

O botão de toque capacitivo está na extremidade do cronômetro mais próximo da placa de controle. Este é o fim que será ativado quando você definir o cronômetro e desativado quando ele estiver em execução. Tal como acontece com os parafusos, é importante que o botão não se projete da madeira, caso contrário, o temporizador ficará instável quando o virar.

Meça e corte um orifício grande o suficiente para acomodar os pinos da placa e o conector Dupont de 3 fios da placa de controle. Coloque o botão na posição e trace o contorno do quadro. Usando uma combinação de perfuração e cinzelamento, forme uma reentrância que permita que o botão fique baixo o suficiente, de modo que não interfira com o cronômetro parado. Também achei útil aparar as pontas na parte superior da placa para torná-las o mais curtas possível.

Etapa 17: Faça furos no final do temporizador para os fios

Tanto o botão de toque capacitivo quanto a faixa de LED precisam de fios que saiam de dentro do gabinete. Para abrir espaço para eles, faça dois furos na extremidade do cronômetro até o interior do gabinete.

O primeiro orifício abre espaço para os três fios que alimentam a faixa de LED. A forma não é crucial, mas você precisa entalhar um pouco a frente do cronômetro para que eles possam dobrar para a frente.

A segunda espera vai da placa de controle ao botão de toque capacitivo. A posição e o tamanho desse orifício devem corresponder ao orifício que você cortou na etapa anterior. Alinhe a parte superior e marque o buraco. Fure e cinzele até que o conector Dupont de três fios passe corretamente para conectar ao botão.

Etapa 18: Corte o forro de acrílico

A parte de trás do cronômetro é de acrílico transparente, que mantém os componentes eletrônicos e os exibe! Trace o contorno do gabinete e use uma ferramenta de pontuação ou faca para marcar o acrílico. Corte a linha de pontuação algumas vezes para torná-la profunda. Alinhe a linha de pontuação com a borda da mesa e, com um movimento rápido para baixo, retire a peça de acrílico. Deve quebrar de forma limpa.

Essa técnica só funciona com quebras que percorrem todo o plexiglass, portanto, podem ser necessárias duas pausas para obter o tamanho certo. Deixe a película protetora por enquanto.

Etapa 19: Faça furos para o apoio

Alinhe a parte traseira do acrílico e prenda-o com fita adesiva. Faça um furo em cada canto para um pequeno parafuso. Usei parafusos de cabeça panela número 6 de 5/8 . Tenha cuidado para não furar muito na madeira. Centralize os orifícios dos parafusos na madeira disponível em cada canto para dar o máximo de força de fixação.

Etapa 20: marque o alinhamento posterior

Um problema que encontrei no passado é que me esqueci de como o plexiglass estava orientado quando fiz os furos. Pequenas diferenças no posicionamento dos parafusos, no entanto, geralmente significam que eles não se encaixarão de outra maneira. Em vez de adivinhar, crio uma marca que me diz exatamente como as peças devem ser orientadas.

Antes de remover a fita, use uma lima ou uma pequena serra para cortar um entalhe assimétrico no plexiglass e na madeira. Esta marca só se alinhará quando as peças estiverem na posição correta.

Etapa 21: corte em formato de ampulheta

Agora que o gabinete está essencialmente concluído, podemos cortar a forma de ampulheta. As dimensões exatas não são críticas, mas certifique-se de não enfraquecer muito o gabinete cortando perto das caixas internas.

Mantendo a fita adesiva, corte a madeira e o acrílico ao mesmo tempo. Usei uma serra de fita, mas a maioria das serras manuais pode cortar ambos os materiais. Limpe os cortes com limas e lixa.

Etapa 22: Corte a ranhura para tira LED

A parte frontal do cronômetro possui uma ranhura para acomodar a faixa de LED, bem como o material de difusão. Alinhe a faixa de LED e trace seu contorno na madeira. Adicione um conjunto de linhas paralelas cerca de 1/8 a 1/16 fora dessas linhas para marcar quando o difusor irá.

Esta etapa é a mais difícil sem as ferramentas elétricas adequadas. Usei uma serra de mesa com uma lâmina de dado para cortar um canal profundo para os LEDs (as linhas internas). Certifique-se de não cortar para dentro do gabinete! Em seguida, cortei um canal raso para o difusor (as linhas externas). Teste o ajuste da faixa de LED e certifique-se de que os fios alcancem confortavelmente a placa de controle.

Você está praticamente pronto neste ponto!

Etapa 23: Lixar e finalizar

Lixe as três partes de madeira usando lixa 220 ou superior. Eu também gosto de adicionar um pequeno chanfro ao longo de todas as bordas em ângulo reto para dar ao gabinete uma aparência mais refinada e torná-lo mais agradável de segurar.

Começo com uma ou duas camadas de goma-laca, que penetra na madeira e realça realmente o grão. Seca rápido, então você não precisa esperar muito. Depois de seco, lixe levemente com lixa 320 ou 400 para uniformizar a superfície. Mas não exagere: você ainda deve conseguir ver um pouco do acabamento brilhante.

Em seguida, aplico uma ou duas camadas de poliuretano, que é um acabamento resistente, mas atraente. Você pode polir levemente com lã de aço quando estiver seco.

Etapa 24: montar os eletrônicos

Comece a montagem final alimentando a faixa de LED de dentro do gabinete até o canal na frente. Retire a fita adesiva ou use uma pequena quantidade de cola para afixar a fita ao canal.

Em seguida, cole o botão de toque capacitivo com cola quente no recesso na parte superior. Você deve conseguir ver os alfinetes saindo da parte inferior. Certifique-se de que o botão esteja nivelado (ou mais baixo) com a superfície da parte superior, para que o cronômetro não oscile.

Insira a bateria no compartimento inferior e alimente o conector USB. Use um pouco de cola quente para se certificar de que está seguro no espaço.

Adicione a placa de controle ao compartimento superior do gabinete. Alimente o conector JST da bateria através do canal oculto no centro do cronômetro. Conecte-o ao conector JST na placa de controle.

Passe o conector Dupont de 3 fios da placa de controle pelo orifício na parte superior e conecte-o aos pinos na parte inferior do botão de toque capacitivo.

Empurre o botão liga / desliga através do orifício na lateral do gabinete (do lado de fora), até que ele se encaixe perfeitamente no lugar. Conecte os terminais de dois fios aos dois fios do switch.

Você deve ter a configuração mostrada na última foto.

Etapa 25: Concluir a montagem do gabinete

Alinhe o acrílico e prenda-o no lugar com quatro parafusos. Aparafuse as peças superior e inferior. Verifique o alinhamento de tudo e certifique-se de que o cronômetro esteja nivelado na mesa nas duas extremidades.

Etapa 26: adicionar o material de difusão

Corte uma tira de material de difusão ligeiramente mais larga do que o canal ao redor da tira de LED. Isso fará com que o difusor se curve um pouco, mantendo-o no lugar sem cola e proporcionando mais difusão. Em geral, quanto mais longe o difusor está do LED, mais difuso ele os torna.

Existem muitos materiais adequados. Usei esteiras de corte de plástico finas (baratas na Amazon) e esta "cartolina" de plástico (que é fina e flexível, e não é "placa" de forma alguma).

Etapa 27: personalizar e fazer upload do código

Baixe o código em github.com/samguyer/VizTimer. Você também precisará da biblioteca FastLED, que fornece os drivers de baixo nível para os LEDs. As peças que você provavelmente precisará alterar estão logo no topo: os cinco pinos (o pino do LED, o pino de toque capacitivo e os três pinos do acelerômetro). Você também pode precisar definir o número de LEDs na faixa.

Sinta-se à vontade para explorar e modificar o código!

Conecte a placa de controle ao seu computador e carregue o código. Você precisará remover o revestimento de acrílico para obter o conector micro-USB no microcontrolador.

Etapa 28: como usá-lo

O objetivo deste projeto era tornar a configuração e o funcionamento do cronômetro o mais simples possível.

O cronômetro tem três modos: modo de programa, modo de cronometragem e modo de pausa. O modo é determinado pela orientação do temporizador: modo de programa quando o botão de toque capacitivo está na parte superior, modo de temporizador quando está na parte inferior e modo de pausa quando o temporizador está do lado.

MODO DE PROGRAMA

Ao ligá-lo pela primeira vez, você verá um "cursor" amarelo piscando na parte inferior da faixa de LED. Toque no botão capacitivo para adicionar tempo em incrementos de 15 segundos. Cada 15 segundos é mostrado como um ponto roxo. Quando você chega a 60 segundos, os pontos roxos são substituídos por um ponto azul, que representa um minuto. Mantenha o botão pressionado para adicionar minutos continuamente até que o botão seja liberado. Cada ponto de cinco minutos é colorido de branco para facilitar a visualização do total.

MODO DE TEMPO

Girar o cronômetro inicia a contagem regressiva. Todos os pontos começam acesos, independentemente do tempo total - foi uma escolha de design da minha parte. Você também pode programá-lo para que cada ponto sempre signifique a mesma quantidade de tempo.

Os pontos caem um a um até o tempo acabar. Em seguida, o cronômetro exibe um "final" colorido por cerca de 15 segundos. Para voltar ao modo de programa, volte o cronômetro. O cursor amarelo aparecerá novamente. Se você iniciar o cronômetro novamente imediatamente sem programá-lo, ele usará o tempo anterior.

Uma boa adição a este temporizador seria um pequeno alto-falante para reproduzir sons, especialmente um som de alarme no final.

MODO DE PAUSA

Durante o modo de cronometragem, você pode pausar o cronômetro girando-o 90 graus e apoiando-o na lateral. Os pontos de cronometragem congelam no lugar e pulsam suavemente para indicar que o cronômetro está esperando para ser reiniciado. Gire-o de volta para continuar a cronometrar, ou vice-versa, para voltar ao modo de programa.

Espero que goste deste dispositivo tanto quanto eu!