原創基于STC15W單片機的OLED手表18B20溫度計制作1.0版

ID:249376 · 發表于 2018-7-14 21:26

本文詳細介紹了自制手機溫度計的過程，并給出在某寶上元件和工具價格清單，附件給出STC15系列單片機驅動18B20源代碼和BCP文件，表殼表帶3D打印文件-STL格式和官方單片機說明書。便于DIY，聯系本文作者QQ:dvxchen

簡介：
1. 表殼和表帶
網上有很多3D表殼模型，這里用的是IWATCH 42mm表殼。某寶網絡3D打印店打好，直接可以用了，如果要修改的，可以修改原文件再送網絡3D打印店。或者硅膠翻模，用環氧樹脂再造。環氧樹脂在某寶上可以搜‘水晶滴膠’，透明的，用它翻制表殼的好處就是加工方便，電鉆打孔和鋼銼刀加工都非常方便，還可以摻入色精上色。
2. 顯示屏的選擇
OLED顯示屏比起液晶屏的好處就是可以顯示任何你想顯示的任何東西，而液晶屏是需要定制的，開模費比較貴，小規模DIY是不經濟的。選好表殼以后， OLED顯示屏的尺寸大概也就定了，是0.96寸屏， IIC接口，大小是26*26mm，正好放得下。
3. 電池的選擇
現在普遍用（聚合物）鋰電池，體積和紐扣電池大小差不多，如果不擔心充電的麻煩（和手機一樣的情況），大概一次充電也可以用上好多天了。電池的尺寸大概就是選擇032525（3mm厚*25mm長*25mm長），這個是最大尺寸的了。大約300mAh�？紤]到電量就這么一點，這里介紹的是用開關控制電源供電而不是待機模式，開關按下MCU+OLED+18B20工作，開關釋放全部斷電，這樣的好處是節省電量，缺點是每次開機18B20初始化時間比較長。
4. 單片機的選擇
表內容積比較小，所以基于STC15W單片機-STC15W048AS， TSSOP20腳貼片封裝，電壓2.4-5.5，用鋰電池（3-4.2伏）正好，內存8K， OLED顯示屏驅動大概6K（IIC總線），剩下2K驅動18B20溫度傳感器大概也是夠了。無需外部晶振。
5. 電路板和線路
自己DIY PCB單面電路板（0.5mm厚），當然這么小的表殼，排針排母是放不進去的。PCB單面電路板的好處是不需要到處焊接飛線，看上去比較干凈。電路板用AD繪制，激光打印到轉印紙，再用熨斗燙到單面電路板，用環保腐蝕劑腐蝕，最后用砂皮拋光。一般TSSOP20封裝的單片機芯片，對初學者來說焊接比較困難，建議用熱風槍和焊漿，涂一涂，吹一吹就好了，以后還可以用熱風槍拿下，反復利用。
6. 日常維護的考慮
基于軟件更新和充電的考慮，在電路設計中加入USB接口，比如Micro USB口，配合USB-TTL模塊，四線分別是（5伏，接地，TXD，RDX），充電要配合涓流充電模塊給聚合物鋰電池充電。USB-TTL模塊和涓流充電模塊體積比較大，也不考慮放置在表殼內。

步驟：
從上面的簡介可以看出DIY是一個各方面綜合的一種創新活動。結合了電子電路，程序設計，產品外形設計，物料加工等各個步驟的能力。各個方面都要做到位才能完成。當然我們要一步一步來，有了成就感才能保障繼續往下走，完成這個作品。
1. 電路設計和BCP制作
STC15W408AS 這個51單片機比較小型，由于太小，不夠熟悉的可以先買一個經典的STC89C52開發板結合18B20溫度傳感器通過串口（數碼管等）感受一下溫度讀取的大概過程，下面是TSSOP20的引腳圖，可以從STC官網得到：

PCB電路設計是用到了AD如下，先用直尺在表殼上測量，毫米換算到mil是除以0.0254，比如表殼內徑寬33mm，33/0.0254=1299mil，用紅線在Top層勾畫出表殼的內部尺寸，黃色是Top Overlay 層輔助線：中間框內芯片是TSSOP20封裝的STC15W408AS向左旋轉90度，右上框內是18B20的三個管腳，圓形向上，三個角從下向上穿出，下負上正，上拉電阻是貼片0603封裝，比較小巧。最右面是Micro USB。左上框內是OLED的IIC兩個數據線接口和正負極接口。

*黃線是Top Overlay 層，所以不會被打印出來。
打印預覽圖，是鏡面反向的，印到覆銅板上就正常了，邊框部分最后可以用刻刀裁去：上下左右四個方框對應OLED顯示屏的螺絲位置孔。

打印的時候，使用激光打印機先打印出一張，裁取一小塊大小比打印出來尺寸略大的熱轉印紙，背面用雙面膠固定在打印紙上，熱轉印紙光面向上，覆蓋住打印圖形區域。把貼上熱轉印紙打印第二次，讓打印墨粉同樣覆蓋在熱轉印紙上。檢查打印圖形必須完整，用剪刀剪下熱轉印紙和后面粘牢的打印紙，不用剝離。
覆銅板（單面）用砂皮沾水打磨銅面，銅面的打磨需要充分，不然轉印會不完整，用封箱帶把熱轉印紙光面和銅面接觸壓牢，注意封箱帶不用太多覆蓋銅面，不然銅面上有膠的部分清除不干凈，以后就不能用了，膠帶可以固定在銅面的另一面。
電熨斗上電，開到最大，覆銅板下面用平整的厚紙（無字的，不然電熨斗會把油墨字印得到處都是）墊牢，上面覆蓋一張薄的餐巾紙，電熨斗壓上，可以變換位置保證覆銅板轉印部分充分受熱。一般3分鐘差不多了，銅板冷卻后可以用手剝離轉印紙。檢查線路完整不要有斷線，一般比較完美，成功率90%，如果有掉粉末可以用油性筆補一下，或者用砂皮打掉重新來。
由于選用的單面覆銅板比較薄，沾上墨粉的覆銅板用美工裁刀裁下，環保蝕刻劑倒入塑料制品中，如小塑料杯，覆蓋杯底即可，加一點水，覆蓋杯底即可。完全溶解后放入裁下的電路板，搖動，直到有銅的部分被完全腐蝕，一般十幾分鐘。準備一個塑料瓶收集腐蝕液，或者用餐巾紙吸附，作為固體廢料放入垃圾袋丟棄，不要接觸水斗和下水道，會腐蝕，使水斗上有斑跡，以后再也擦不干凈了。
覆銅板用砂紙再次打磨去墨粉，有嘗試用鍍錫液，不過效果不理想，在干糙環境下銅面一般不會快速氧化，需要用的時候用砂皮再次打磨即可。
先安裝最便宜的元器件，首先是電阻， 0603貼片規格的4.7K電阻看上去比較小，用刮刀取出極小量的錫漿均勻涂在放置電阻線路的兩頭，不要短路，取出用鑷子輕輕取出電阻放置在電路板上，用放大鏡仔細觀察，這個錫漿是不會干的，有足夠的時間觀察和擺放電阻直到完全滿意和放心。
電路板放平在隔熱板上，用熱風槍由上到下垂直對準電阻吹送熱風，溫度220，風力1檔 (下同)，大概一分鐘左右你可以看到亮晶晶的反光，就是說錫漿變成流動的錫液了，奇妙的現象是錫液會自動包裹在電阻的兩頭，沒有銅的地方它是不會過去的。用萬用表電阻20K檔測試電阻線路兩頭，應該大致4.7K。如果是0，表示錫漿上得過分了，短路了，你可以用熱風槍吹送熱風，用鑷子輕輕撥動電阻，一會兒就可取下，重新用砂皮打磨，去除焊錫，再上錫漿，放置電阻，直到萬用表檢測通過。
安置Micro USB母座同樣靠吹，用手工0.6毫米小鉆頭為兩側的定位孔打孔。確保Micro USB母座可以固定于定位孔，用同樣的方法對四個接觸腳上錫漿，然后用臺式放大鏡的夾子固定母座和線路板。用熱風槍對準USB母座吹送熱風，直到看到亮晶晶。用萬用表電阻200檔，這次主要是檢測四個接觸腳的通路和短路，互相之間不短路，每個觸腳都通路。（注意：有一個腳是不使用的）。然后，用公頭插入母座，檢查公頭上引出的金屬腳和線路板的線路的聯通性完好。最后用電洛鐵焊接母座周圍的兩個固定腳于電路板的銅片部分。
焊接18B20溫度傳感器，18B20的三個管腳，圓形向上，電路板用0.6毫米鉆頭打洞，三個角從下向上從覆銅層穿出，用電洛鐵焊牢，過長的管腳部分剪掉。用萬用表電阻檔檢查三個管腳是否焊牢。
最后吹的是單片機芯片，少量的錫漿涂于電路板各腳的覆銅，放置好就可以吹了，吹好后同樣需要用萬用表檢查，除了連接正極和負極的兩個管腳之間為240歐左右，其它管腳間均為不通。把電路板抬起讓光線從背部通過，肉眼觀察各個管腳間無焊錫，然后通過單片機的程序燒錄檢查: Micro USB公頭的四個引出腳分別焊接不銅顏色飛線，黑接飛地，紅接正，綠接TxD,黃接RxD.飛線另一頭可以連接排針或排母。同樣USB-TTL的地線，TxD, RxD,可以直接通過杜邦線，排針排母和飛線連接，正極要接一個開關再接飛線的正，在下載程序的時候需要按動這個開關讓單片機進入燒制程序模式。如果程序可以完成下載和燒錄，說明電路板單片機部分制作成功。
表殼表帶表面
3D文件發給3D打印網店，無非是確認和討價還價，不發順豐，不開票，表殼30元可以砍到20元，打印好的表殼模板是制作表殼的開始，因為表殼上面要開洞引出Micro USB, 溫度傳感器暴露在外面測溫會比較精確。還要引出電源開關，IWATCH表面部分不能打印，原因是不透明（3D透明材質比較貴），超薄（精度也達不到要求），和OLED屏配合不好，這個表面可以自己做。
找一個比3D表殼大一點的，深一點，不漏水的盒子，3D表殼表面涂抹少量凡士林，面向上放入其中，周圍略有空間即可，取5毫升硅膠，滴入十幾滴固化劑（100:1），攪拌均勻，倒入盒子，用一根木筷子沿著表殼周圍探一遍，特別是連接表帶的凹槽里面，確�？諝獗悔s走，高度是全覆蓋表殼即可，夏天靜置2個小時，冬天時間長一些，硅膠就固化了。把硅膠塊取出，反過來，表背向上，用刻刀切去表背覆蓋的硅膠不要了，然后擠壓硅膠，3D表殼就可以取出，磨具就好了。
取5毫升水晶滴膠，硬膠，加入1.5毫升固化時候劑（3:1），加入色膏（可選），攪拌均勻，倒入硅膠磨具，這個時間要長一些，夏天24小時，冬天要兩天。
表帶制作相仿，表帶有兩個部分，涂好凡士林，這次的盒子要長一些薄一些，制作水晶滴膠的時候，靠近表殼的連接部分用倒入攪拌均勻的硬膠，兩三個小時后，在硬膠未干的時候倒入攪拌均勻的超軟膠。
表殼和表帶都干了之后，可以連接在一起，不過由于滴膠軟，還是要用滴膠膠水（牙膏膠）連接，放置一天就好了。
表面部分，3D網店不能打，自己做。用兩片1毫米厚的有機玻璃用勾刀裁好，大小如表面部分，上面一片挖空OLED屏幕大小的部分，下面一片挖空OLED屏幕電路板大小的部分，IIC焊孔部分鉆孔，把屏幕放入，使得屏幕完全埋入。兩片有機玻璃用有機玻璃膠膠好，上面貼一層透明膠片，用雙面膠固定。同樣放入略大多余部分一點的盒子，透明膠片一面向下，倒入硅膠2毫升最多了，覆蓋即可，制模后反過來，切除表面的硅膠，就可取出，同樣用水滴硬膠倒入，最后制成表面。
屏幕的四個焊孔用彩色飛線焊接后引出，長度大致3厘米左右，把屏幕放入，用2毫米鉆頭開四個定位孔，用2毫米塑料鏍絲從表面穿入，屏幕背面螺母固定，鏍絲多余部分用裁刀切去。
下面要在表殼側面開孔引出Micro USB母座和溫度傳感器，在表殼里放置鋰電池，確定孔的高度，拿出電池，用2毫米鉆頭在右側面開長孔，3毫米鉆頭開園孔，使得母座和傳感器可以穿出。如果直接修改3D文件開孔，送打印店制備也是可以的。
最后在裝入表殼前需要做下列事情:
鋰電池正極用紅色飛線接開關一腳，開關另腳用飛線接電路板左上的焊盤，鋰電池負極直接用黑色飛線連線路板負極焊盤。
屏幕引出的四根飛線接電路板上方四個焊盤。
按動開關，檢查溫度是否正常顯示。
把電池，電路板依次放入表殼，最后蓋上表面，在表面四周打四個1毫米鏍絲孔，用3毫米鉆頭再打孔，不要穿透，用鏍絲固定，鏍絲頭正好埋入表面。
不過鏍絲頭不好看，用打印機制作表面貼片，打四個孔讓塑料鏍絲露出，在表面四周用雙面膠固定帖片于表面。
完工。
充電和維護

后記
想說的是萬能的某寶讓DIY變得可能，買配件的時侯你也可以一次買齊，節省運費，不過既然是DIY就不用考慮運費了，每次買一點，做不下去了，換別的做做，也不會浪費。還有就是接下來可以考慮把其它功能加進去，有的需要硬件，比如時鐘芯片，讓手表真正實現計時功能。表殼內部就那么大，所以盡量選型的時候要考慮體積最小的，當然性價比也要考慮。有的需要軟件功能，留置的Micro USB就是在不拆機的情況下更新軟件功能，比如電量顯示，串口調試等等。還有就是考慮表殼內部再擴大，電池完全可以埋入表背，這樣以后可以放雙層電路板，增加更多的功能。
除了腐蝕劑危險以外，其實這還是個益智教育過程，家長和小孩子可以一起玩，小女孩可以玩表殼表帶調色，大一點的小孩可以學習電路搭建，學習編程語言，再大一點可以學會編輯3D打印文件，再大點的孩子自己設計功能，開公司把自己的作品拿到網上去賣了。哈哈