【参赛】三维打印白色系和平鸽造型音乐闹钟

风流侠客 · 发表于 2019-2-21 20:28:17

三维打印（3D打印）是目前应用较为广泛的快速建模技术之一，我们可以使用这项技术将自己创建的模型打印成实体以便验证设计效果；也可以将设计创意打印出来以装点我们的生活环境。借本次大赛的机会，将我设计的3D打印和平鸽音乐闹钟呈上，与大家交流探讨相关技术。它的功能包括时间日历显示、温度显示和三组闹钟提醒功能。为顺应时代主流，编写了《我和我的祖国》演奏程序；并加入经典红色歌曲《大海航行靠舵手》演奏程序和常见电子闹钟蜂鸣器闹时装置作为闹钟提醒声音。

整体效果
写入程序调试01.jpg

一、外观设计和实体建模
3D打印需要设计建模，由于本设计未参考现有模型，所以全部模型都需自己创建。设计采用AutoCAD2012版本进行。考虑今年为建国70周年，和平是时代主流，所以设计了以白色和平鸽为主题的时钟。本设计需建模的部分整体包括和平鸽，时钟底座和OLED液晶屏固定立牌；其中装配必须的细小配件如按钮延长杆和开关固定架等也采用3D打印方式制作。
设计前先选定使用的OLED屏幕型号，以便于能够直观的显示时间。目前市面常见OLED屏幕一般有12864屏幕，12832屏幕和长条形屏幕等。为尽可能扩大显示区域且兼顾使用习惯，本设计选用一款2.42英寸12864屏幕作为显示部件。液晶屏选定后即可进行所有模型的建模工作。
由于设计需要突出和平鸽的主题，首先根据鸽子造型对其进行建模。鸽子尺寸参考现实中即将离巢的信鸽大小，寓意为充满希望的未来。将现实中的鸽子外观适当调整比例抽象设计，形成对开两半式扇形鸽子模型。作为设计的主体部分之一，和平鸽部分并非单纯的摆设模型，而是设计为闹钟音乐播放时的扬声器共鸣箱，所以其内部设计为空心。且为尽可能提高音响效果，鸽子尾部的外壳厚度较大，到前面部分逐渐减小。其内部空间变化趋势则反之，从尾部到前部不断扩大，形成类似喇叭反射筒的椎体空间。考虑常见小尺寸2W扬声器规格，将扬声器设计为反射式安装，即扬声器安装在鸽子内部靠前的位置，开口朝向尾部；同时在翅膀前端沿圆周开出用于声音传出的开口，两侧翅膀声音传出开口为对称设计，利用鸽子内部的椎体空间反射发声。鸽子头顶设计一个可以安装非自锁按键开关的固定空间，作为闹钟开关按键。鸽子尾部的内部挖空用于安装常规电子闹钟都使用的蜂鸣器。和平鸽部分包括的小型安装部件有扬声器固定座，顶部按键延长钮杆和底部支柱三个部分。扬声器固定座采用弧面设计，鸽子外壳两侧各安装一半，两侧扣合时正好将扬声器夹在中间。鸽子底部仿照鸽爪形式设计，为穿引导线和固定模型，将鸽爪设计为支柱式，中间开孔用来穿过导线，其他三个开孔用于穿过固定螺丝杆。
鸽子部分建模完成后，参考鸽子尺寸、一般桌面摆放小型座钟的外观尺寸和前面选定的OLED液晶屏规格，购买OLED12864液晶屏并底座部分进行CAD建模。底座部分设计为长方体二层凸台样式，下半部分有足够重量，可保持钟表放置稳定，上半部分为长宽缩进20mm的凸台，用于安装和固定和平鸽及液晶屏。将鸽子模型放置在底台合适位置，横向右侧预留足够安装液晶屏的空间，左侧尽可能在底台范围内，纵向居中放置。根据鸽子支柱开孔尺寸，在底座凸台上绘制圆柱，做差集开孔。底台内部设计出用于安装预埋螺母的长方体模型；并根据按键开关尺寸设计开关固定座模型；对外部电源插孔位置进行设计和开孔。
底座设计完成后，进行OLED液晶屏立牌的建模。查看购买的OLED屏幕说明书，确定显示部分区域和外部固定安装区域的相对尺寸，设计直接固定液晶屏的支脚件，并在外侧设计全包围外壳，根据显示区域位置在液晶屏固定脚前侧对应位置开口；根据立牌后开口尺寸设计立牌后盖。液晶屏立牌后盖部分也采用直杆螺丝配合预埋螺丝方式进行安装，在立牌内测四角位置设计长方体预埋件安装位置，并在后盖相应位置打孔。为保持外部状态美观，液晶立牌底部与和平鸽类似，也采用支柱安装，所以根据穿引导线尺寸和立牌厚度对支柱进行建模。
CAD建模整体效果

CAD建模底座下半部分

二、电路原理图设计
模型设计完成后进行电路部分设计。常规电子时钟，特别是采用液晶屏显示的时钟一般均使用单片机作为主控，通过程序代码驱动液晶屏和外部器件以实现相应功能，本设计也不例外。在众多单片机系列中，目前仍以8051单片机最为流行，所以设计采用STC8A8K64S4A12型号单片机作为主控。这款单片机是深圳宏晶科技公司现阶段成型的最新产品，是国产单片机行业的代表，虽然业内呼声不同，但这里不做广告，支持国货，支持国货，支持国货！！
除单片机外，本设计的外围电路部分包括液晶屏驱动接口、采用与门设计按键中断信号形成单元、DS1302RTC时钟电路、DS18B20温度传感器电路、功放板接口、扩展接口和预留的DAC电路等。本设计共有7个外部按键，和平鸽顶部一个，编号S1，显示屏前部6个，编号S2-S7。电路部分预留有程序烧写ISP接口。此外还包括用于驱动扬声器的TDA2822功放小板。

电路原理图
原理图.jpg

三、PCB电路板设计
电路板是本设计必不可少的组成部分，本设计采用PCB打样制作电路板。根据建模设计时钟底座的内部尺寸绘制PCB外边框，测量距离确定按键安装位置，然后放置其他零部件。由于本设计使用的单片机为0.5mm脚距封装，而过小的脚距布线和测量电信号都不方便，所以电路板部分采用连线转接板方式安装单片机，PCB图使用0.8mm脚距贴片封装，然后购置0.5mm脚距转接板用于安装单片机。本次为设计测试，所以PCB连接转接板的部分采用贴片封装，以后如果开发新版本，会将单片机转接板设计为直插安装，不再采用连线安装。导入原理图网络表，设置布线规则然后对PCB进行布线，将PCB文件交给厂家打样生产。注：PCB右上角为本人专用LOGO，上半部分为小篆风流侠客字样，非任何盗用图标。对于驱动扬声器的TDA2822功放板，由于其采用的部件较少，所以使用万用板制作。
回到第一步建模，根据PCB文件各个按键开关位置对底座凸台部分进行打孔，并根据PCB板安装位置设计用于安装预埋件的长方体固定件。

PCB图顶层
PCB顶层.jpg

PCB图底层

PCB打样上层

PCB下层，板上刻有论坛用户名和UID
PCB板02.jpg

全部元器件到齐后，开始进行电路板焊接组装。

STC8A8K64S4A12贴片LQFP-48芯片焊接
焊接贴片单片机.jpg

转接板连线安装

转接板安装

其他元器件安装

焊接工作台

四、模型输出、3D打印和预埋件安装
将CAD模型中需要组合的实体进行复制，取并集形成整体，将其输出为stl文件；使用3D打印机配套切片软件进行切片。将切片文件复制到工业3D打印机进行打印。考虑目前主流3D打印材料包括PLA、PLA+和ABS等，其中PLA+为改良PLA环保材料，强度较大粘接力好且耐久性强，所以设计采用PLA+材料进行模型打印。

切片软件中的底座部分
切片软件底座.jpg

切片软件中的和平鸽模型01
切片软件和平鸽.jpg

切片软件中的和平鸽模型02
切片软件和平鸽2.jpg

切片软件中的固定件

切片软件中固定件切片
切片软件切片.jpg

3D打印机工作中

经过漫长的打印过程，所有建模实体都准备好了，接下来要进行预埋件安装。虽然PLA+材质硬度和耐拉伸强度相对较大，但因3D打印设备结构问题，仍然不能采用常规的预埋件内嵌方式进行安装；而是需要将模型打印好后将工件安装到对应位置。首先调配用于粘接的环氧树脂胶，将调和后的胶涂抹到预埋件中间凹入部分，然后在安装孔位放入预埋件并用工具扶正，待胶初步凝固后即可撤出工具。手工安装预埋件过程相对较脏，没有拍图。

3D打印和平鸽模型完成
打印完成.jpg

打印模型展示01

打印模型展示02

五、整体组装
整体组装前先进行部分组装。将按键延长按钮插到电路板按键开关上，然后进行鸽子模型组装，将鸽子支柱、扬声器支架与鸽子外壳用螺丝固定，量好长度后在支柱中间孔穿入导线，用于连接顶部开关、扬声器和蜂鸣器。然后组装液晶屏立牌，将液晶屏立牌、立柱和底座用螺杆连接并固定。

组装过程01
部分组装01.jpg

组装过程02

组装过程03

组装过程04

整体组装01

整体组装02

六、软件设计
基于单片机的电子制作，其软件设计是很重要的一个组成部分。本设计的软件程序包括以下几个部分：硬件驱动代码、液晶屏字库模块，显示控制程序、菜单控制程序、音乐震荡演奏程序和闹钟控制程序等。硬件驱动程序分别为液晶屏驱动、时钟芯片驱动、温度传感器驱动和按键驱动。液晶屏驱动沿用厂家提供程序。时钟芯片驱动用于从DS1302时钟芯片获取时间数据或将设置数据写入芯片，以便系统可随时获取准确时间。温度传感器驱动程序用于获取当前温度数据。按键驱动程序使用中断中查询方式获取当前按下的按键，并转换为按键识别码。系统提供的七个按键S1-S7在系统内会转化为1-7按键编码，以便程序获取按键状态。底层驱动设计好后，进行显示模块设计。
本次购买的OLED液晶屏没有任何字库，所以要实现时钟显示功能还必须要制作配套的字模库，它的字库取模方式和一般的12864液晶屏相同。本设计沿用一部分液晶屏厂家提供的字模库，并扩展一部分大字型字模库用于显示时间。显示界面包括时间显示界面、设置菜单界面和信息显示界面三种。时间显示界面为主界面，充分利用12864的显示区域，显示部分共四行，第一行为年月日星期显示，第二行和第三行使用16*32字模大字体显示时间，第四行设计为温度和闹钟数据显示，前半部分为温度显示，后面部分分两行显示第一组和第二组闹钟设置信息，其中闹钟小时分钟中间的隔点为冒号时，表示该组闹钟为关闭状态，当隔点为叹号时，表示该组闹钟处于打开状态，当时钟时间到达设定时间后会触发闹钟提醒。显示主界面设计完成后设计菜单系统。
菜单系统包括主界面，提供时间设置、闹钟设置和系统信息三个选项。在时间显示界面，按下S3进入系统菜单界面，然后按S4向上移动选项箭头，S5向下移动显示箭头，在对应菜单项中，再次按下S3可进入下一级菜单；在某一级菜单中按下S2返回上一级菜单。菜单部分采用变量控制菜单层次状态，并使用游标变量控制当前选项。为加强显示效果，选项指针使用计时器控制形成旋转样式。时间设置采用闪烁提示方式，即进入对应设置项后，相应项目会刷新闪烁，以便提示当前的设置项，按下S4和S5可切换当前设置项，按S6和S7调整当前设置项值，程序内部对相应设定值进行限定，每种设置不能超过允许阈值。本设计提供三组闹钟设定，前两组设定情况可在主时间界面显示，第三组闹钟不在主界面显示。进入闹钟设置界面后，按下S4可调整闹钟小时，按下S5调整闹钟分钟，按下S1（鸽子顶部按键）转换闹钟开关状态，按下S6转换闹钟提醒状态。闹钟提醒状态共有5种，分别为蜂鸣、音乐1《我和我的祖国》、音乐2《大海航行靠舵手》、蜂鸣+音乐1和蜂鸣+音乐2同时播放。全部设置项目使用单片机IAP功能保存到内部EEPROM中，实现数据设定掉电保存。系统信息部分提供闹钟乐曲曲目显示、系统版本信息和作者信息三个界面。
音乐演奏控制程序使用定时器控制发出特定频率的震荡信号。查阅乐音频谱可知音乐中不同音高的频率f，根据T=1/f可计算出某个音符的周期，而使用单片机计时器控制IO引脚按照一定周期变化即可发出乐音震荡信号，使用TDA2822功放块配合隔离电容可将乐音震荡信号放大推动扬声器且能避免与单片机电路间相互干扰。查阅曲目简谱，将不同音符转换为数值，控制定时器周期，即可实现音乐演奏。
闹钟控制程序也编写在计时器中断服务程序中，主要编程控制获取当前时间，并依次与三组闹钟设定数据进行对比，如当前时间的小时分钟与闹钟数据相符且闹钟开关状态为开，则根据设定的闹钟提醒方式发出提示声响。闹钟触发后，按下任意键可停止闹钟发声。闹钟音乐提醒使用1.2寸2W喇叭播放，并经过3D打印PLA+和平鸽外壳共振，音量虽然不是特别大但可以唤醒20平方米左右房间内的人，手机拍摄，声音不太好，实际音质很干净。
程序编写编译完成后，使用USB-ISP下载器连接电路板底部ISP接口，通过串行口将程序烧写到单片机芯片中。
设计具体情况和运行状态可查看图片和视频。

整体效果01
写入程序调试02.jpg

整体效果02

单片机程序

和平鸽闹钟程序.rar (192.6 KB, 下载次数: 114)

运行效果视频
http://v.youku.com/v_show/id_XNDA3MzA5MjA0OA==.html?spm=a2h3j.8428770.3416059.1

补充内容 (2019-2-21 22:51):
PCB图和打样PCB板上还有设计时预留的DAC0832和两片LM386组成的BTL功放电路，本次设计此部分焊接了元器件但实际上并未使用这部分电路。