硬核！纯机械装置模拟数字时钟
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2021-04-02 13:20
MAKER: ihart／译：趣无尽
本项目是一个真正意义上的「机械时钟」，由 3D 打印部件、25 个 Arduino Nano 和 48 个步进电机构建。每个时钟面都是用 Eagle 设计的 PCB。
时钟的灵感来自几年前我在波士顿一家商店里看到的时钟，叫 ClockClock 24，成本约为 6000 美元，非常漂亮。
完成这个项目，将学习到 3D 打印、Arduino 编程、原理图和 PCB 设计、机械方面的技能，还有一定的调试技巧。
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材料和成本
完整的材料清单文件（ClockPartsList.xlsx）在本项目文件库中可以下载：
https://make.quwj.com/project/367
2
工具清单
3D 打印机
烙铁
螺丝刀
剪线钳和压线钳
粘胶
费用大约是 500 美元。也可以通过采购更便宜的零件来降低成本。电子表格中的描述是可单击的链接。如果链接失效，可以在 google 中搜索链接中的单词。
3
3D 打印
整个项目的打印使用 PLA 材料，所用的 3D 打印机是 Creality Ender 3 Pro。利用 Cura 的免费版本切成薄片。
大约花费了 1 个月的时间打印。其中，每个时钟模块底板大约需要 9 个小时的打印时间。如果每天打印 2 张，需要 12 天，如果使用两台 3D 打印机，速度会更快。
所有零件均在标准温度下以 20％ 的填充率进行打印。
这个项目上有很多关于 3D 打印的知识：
机床需要每隔几天调平一次。否则，零件将从机床上抬起或损坏。
喷嘴需要隔一段时间清洗一次。否则，打印件将变得很薄。
PLA 线轴需要保持紧绷，以使打印时的长丝不会束缚和卡住。
3D 打印部件清单（Clock 3D Printed Parts List.xlsx）和打印所需的 STL 文件（stls.zip）在本项目文件库中可以下载：
https://make.quwj.com/project/367
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原理图和 PCB 文件
原理图是用 Autodesk 的 Eagle 绘制的。
需要注意的是，最初使用的是光电模块而不是磁检测器模块，这就是在原理图和电路板上都能看到光电模块的原因。
每个磁性霍尔效应传感器都连接到 PCB 板上的 5V，Gnd 和 模拟引脚（O_0 或 O_1）。
更多信息参见组装详情。
原理图文件（analog_clock_rev2.sch）在本项目文件库中可以下载：
https://make.quwj.com/project/367
该项目需要 25 个 PCB 板。此处所附的 Gerber 文件，可以在任何 PCB 厂制造电路板。要打开压缩成 .gz 的文件，推荐 7Zip 解压缩程序。
原理图文件（H2W-312555_Analog_clock_Rev2.zip.gz）在本项目文件库中可以下载：https://make.quwj.com/project/367
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Arduino 编程
项目的 Arduino 文件有两个：主控文件和从属设备文件。
主控代码仅使用一次，控制所有从属设备。从属设备代码使用 24 次。
RTC（实时时钟）库 .zip 文件也包含在 .gz 文件中。通过执行以下操作，可以将 .zip 文件添加到 Arduino IDE：
sketch -> include library -> add .zip library.
要对 Arduino 进行编程，请选择：
tools -> Boards: Arduino Nano
tools -> Processor Atmega328 (旧的引导程序)
tools -> port (选择端口)
代码文件（HartClock_Arduino_Code.zip.gz）在本项目文件库中可以下载：
https://make.quwj.com/project/367
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Arduino SW 介绍
主控的 Arduino 将 I2C 串行命令发送到位于每个时钟面后面的 24 个从属 Arduino。从属 Arduino 将 I2C 命令解码为时钟运动。
主机到从机可能的 Arduino I2C 命令：
0= IDLE, 1= Calibrate, 2= Arm_go_clockwise, 3= Arm_go_counter_clockwise
（0 = 空闲，1 = 校准，2 = 顺时针旋转，3 = 逆时针旋转）
如图所示，时钟有 8 个可能的位置。
重置后，主机将向每个 Arduino 发送一个校准命令，使其到达与时钟位置 8 相对应的原始位置。每个时钟后面的齿轮中都有归位磁铁，还有一个霍尔效应传感器，用于检测磁铁是否归位。
7
PCB 焊接
PCB 板中有 24 个需要焊接，必要时可求助朋友：）
切记要从电动机随附的小型驱动板的插座中拔出 ULN2003 驱动器 IC。
将每个元件插入电路板，并稍微弯曲引脚，以免它们掉落，将元件引脚焊接到板上。
注意：每块板上焊接有 6 条跳线。此处未使用图片中显示的绿色 4 针端子，直接焊接了板间线路，这样压降较低且更可靠。
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设置拨码开关
每个 PCB 板上都有一个拨码开关。将每个时钟的拨码开关设置为图片中所示的值，以便主控器可以分别寻址每个从属时钟模块。
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组装 PCB 主板
Arduino 主板包含 Real Time Clock（RTC）板和 Arduino nano。每当主 Arduino 通过其 USB 进行编程时，RTC 就会使用当前计算机时间进行编程，并将时间数据通过 RTC 电池保存起来。
可以将 RTC 板热粘合或用双面胶带粘贴到主 PCB 上。焊接连接使其牢固。
使用 3D 打印支架将主板固定在时钟上。
将 RTC Vcc 连接到板上的 +5 引脚。
将 RTC Gnd，SCL 和 SDA 连接到 PCB 板上的相应名称。
在 RTC 板 Vcc 和 SDA 之间的 I2C 上焊接 1 个 1.3k（或接近值）的上拉电阻。
在 RTC 板 Vcc 和 SCL 之间的 I2C 上焊接 1 个 1.3k（或接近值）的上拉电阻。
用 4 根导线焊接 +6V、Gnd、SDA 和 SCL，预留长度大约为 6 英寸，以便将来与其他电路板连接。
用 10 英寸长导线对焊接 D2 引脚和地，通过按钮增加时间。
用 10 英寸长导线对焊接 D3 引脚和地，通过按钮减少时间。
注意：在关闭电源之前，应从主 Arduino Nano 上拔下 USB 线。这是一条潜在电流路径，在电源关闭时其他 Arduino 会尝试用 USB 电源供电，主机上的微型 7805 稳压器可能会烧坏。如果发生这种情况，请购买功率更大的 7805 稳压器并将其焊接到主板上。这里需执行此操作。
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时钟模块组装
通过使用霍尔效应传感器模块（连接到 5V 电源或小型电池组）进行测试，确定磁体朝上。这里使用了 4.5V 电池组供电。方向正确时，指示灯应变为绿色。
用 Cyanoacrylate Krazy 粘胶将磁铁粘上。
如图所示，组装时钟。
将 4 根钩形导线切成约 6 英寸长。将导线两端剥开约 1/4 英寸，并将它们绞合在一起。将它们焊接到 PCB 的 +6V、Gnd、SDA、SCL 点的一侧。安装数字时，它们将用于焊接到相邻的时钟。
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单个时钟 Arduino 代码测试
建议在组建每个时钟模块后对其进行测试。为此，请确保时钟模块已完全组装好，并且（临时）将拨码开关设置为大于 23 的值。这将在通电后强制 Arduino 从代码运行校准。视频仅供参考，这样可以检查时钟的运动是否良好和磁铁是否正确归位。USB 电源能够为该测试的两个电动机供电，因此不需要电源连接。
插入 USB 线并加载从 Arduino 代码。应该会看到它在每个臂上都进行了校准。每个臂校准后，将臂移动到顶部的 8 点钟位置。按下 Arduino Nano 上的 Reset（重置）按钮几次，以确保它可以正常工作。
完成操作后，请不要忘记将拨码开关设置为正确的值（0 到 23）。在时钟背面的沙皮纸上写下时钟编号，以便于组装。
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电源连接
如图，电源设备需要用连接器压接并连接到电源和供电线上，为此使用了延长线。将电压调节到 7.5V，并在调节旋钮上缠上胶带，以免被意外转动。
直流电压线将通过开关连接到主板。
此处每个 28BYJ48 步进电机均由 7.5V 电压驱动。绕组分别为 70 欧姆。
因此，通过每个绕组的电流为 7.5V/70 欧姆 = 107mA
每个步进电机主动驱动时有 2 个绕组。因此，每个电机 2 * 107mA = 214mA
如果所有 48 台电动机都在运动，则为 48 * 214mA = 10.2Amps。
那是相当大的电流，这里显示的 10Amp 电源可以提供该电流。
仅供参考，当电动机未处于主动驱动状态时，Arduino 代码会关闭绕组，因此在电动机不运动时不会向电动机施加电流。且 Arduino Nano 和霍尔效应传感器使用的电流很小。
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单个时钟数字 Arduino 主控代码测试
测试由 6 个时钟模块组成的数字。
在每个结点使用 2 个侧面连接器件并用螺丝拧紧，将 6 个时钟模块组装成一个数字。
此处称为 debug_master_counter.ino 的 Arduino 代码已加载到主 PCB 中。到现在为止，所有从时钟模块均应已加载 Analog_clock_slave.ino。
拨码开关应设置为：（0 至 5）或（6 至 11）或（12 至 17）或（18 至 23）
可以一次建立一个数字，对其进行测试并通过焊接将 6 个时钟连接起来。
暂时将这 4 个主模块导线焊接到该时钟的 +6V、Gnd、SDA、SCL空点进行测试。
确保主模块已连接电源（暂时不带开关）并设置为 7.5V。由于没有连接器，暂时将其焊接以进行此测试。
主模块上电并初始化所有 6 个时钟。如果尚未将手臂移到顶部（8 点钟位置），则需要将它们移到顶部。然后，它将发送指令显示从 0 到 9 的递增计数，如图所示。
测试完所有数字后，请使用正确的 master_clock_slave.ino 加载主 PCB Arduino。
测试用的代码文件（debug_master_counter.ino）在本项目文件库中可以下载：
https://make.quwj.com/project/367
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安装全部时钟数字
组装完所有模块后，就可以开始使用连接器链接组装完整的时钟。每段连接需要 2 个连接器链节，然后将螺丝插入链节的每一侧，把部件固定在一起，如图操作。
时钟放在一起后，焊接每个模块之间的导线。最初，在每块板上都有绿色螺丝端子，但后来切换为焊接连接，因为螺丝端子在每个螺丝处引入电阻，导致 6V 线路和地上的电压下降。
请注意，如果不连接框架，则完整的 3×8 大时钟不稳定。
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安装边框
添加框架，框架增加了支撑，让时钟整体将变稳定。
有 4 种框架。2 种角件和 2 种边件。尝试时，要看它们的适合程度。
给长框架打孔。组装框架时，将 3 个开关安装在钻出的孔中。将时钟放置在底部框架的中心。
如图所示组装框架。
下面固定 Arduino PCB 主板。
将主 Arduino PCB 固定（粘）在 master_support 支架上，然后如图所示，在中心找到一个合适的位置。拧入 2 个螺钉固定它。
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主控的反向选项
Arduino 主代码具有反转时钟方向的功能。某些 28BYJ-48 步进电机的运行方向是反向的。那么可以在代码中控制它。如图，在 Arduino 主代码中设置 appropriate bits = 1 就好了。
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调试和维修
推荐步骤：
1）组建并测试 24 个时钟模块（一个一个测）。
2）用 6 个时钟模块建立一个数字，并使用特殊的测试主控代码进行测试。
3）组建时钟整体，并使用正确主控代码对其进行测试。
如果主控时钟有问题，请检查接线，并确保时钟模块之间的焊接正确。确保电线从 clk0 到 clk23 贯穿整个时钟。
如果遇到通信问题，请确保主机上有 I2C 上拉电阻。可使用示波器检查 I2C 信号是否正常。
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常见问题
1）为什么不用一个微控制器，并使用多路复用器在每个时钟之间切换？
组建这东西时，总要做出工程复杂度上的权衡。可以将单个微控制器与多路复用器配合使用，但一次只能移动一个时钟。实际上有一个这样的想法，使用伺服器并一次移动一个模拟时钟面。也可以用具有许多 IO 的 FPGA（现场可编程门阵列）来代替许多从属控制器，但这会贵得多，且需要额外技能。
2）为什么不用某种步进芯片替代 24 个从机的 Arduino Nano 呢？
Arduino nano 的价格在 2 美元。作为从机，每个都对 2 个电机执行步进控制，并且读取每个电机齿轮的霍尔效应模拟信号以进行校准。很难找到价格便宜的芯片来完成这两个功能。
3）为什么不使用霍尔效应传感器芯片，而使用 $1.50 的霍尔效应传感器模块？
单个霍尔效应传感器芯片更便宜，但它们需要添加一个电阻，因此每个霍尔效应传感器都必须放在 PCB 上。这需要另外的 3D 打印部件，并将 3 条导线焊接到小型设备的每个引脚上。而只安装 1 个螺钉的霍尔效应模块 PCB 板，使组装变得更加容易。
4）为什么用那么多 Arduino 而不用一个芯片？
将需要一个具有以下功能的 Arduino（或FPGA）芯片：
48 个电机 4 个步进信号 + 48 个电机 2 个用于校准的霍尔效应传感器 = 288 pin。Arduino 做不到，FPGA 可以。
5）在主控 Arduino 上增加 3 端稳压器的目的是什么？
3 端稳压器是添加到主控制器中的 7805 稳压器，当主控 Arduino 连接到其他电路板，关闭电源时，会烧。关闭电源之前，应先从主机上拔下 USB。
6）如果 RTC 模块的时间出现误差，如何调整？
可以使用按钮开关调整时区的小时数。要更改 RTC 芯片上的时钟时间，需要对 Arduino 主程序进行重新编程。
可以将代码修改为允许通过蓝牙无线访问主机和调整 RTC。
这个项目耗时三年，现在可以享受成果了。
项目所用的代码在本项目文件库中可以下载：
https://make.quwj.com/project/367
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