创客项目秀|基于XIAO ESP32S3的Dao Clock项目

作者：Chexin Yang

来自：Fab academy

Fab Academy，源自麻省理工学院的先进教育项目，致力于培养具有全球视野的创新者和制造者。通过密集学习和实践，学生们掌握了从基础到高级的制造技术，学习了如何将创意转化为现实。今天，小编将给大家带来其中一位Fab Academy毕业生 Chenxin Yang的结课项目：Dao Clock。这个项目产品系统可以实时监控环境变化，并在检测到预定的唤醒信号时触发警报或其他唤醒机制。让我们一起深入了解这个有趣的项目！

项目介绍

项目背景

当闹钟响起时，人们并真的不想起床。取而代之的是，会经常根据环境条件来决定何时真正离开床铺。这促使作者构思了一种名为“懒惰时钟”的设备，旨在能根据周围环境中自然唤醒，称之为“自然唤醒”的概念。

因此，计划使用各种传感器来捕捉环境中的自然变化，例如声音、光线和温度，并将这些数据转换为适合机器学习模型的样本数据。接下来，将设计和训练一个轻量级的机器学习模型，该模型能够将特定的环境变化识别为唤醒用户的信号。

项目名字：

通过进一步思考，我从中国传统文化中学会了尊重自然。在中国古代，人们使用日晷记录时间，日晷通过自然光的变化来显示时间。

日晷的定义：十天干十二地枝

十二生肖时辰：紫、周、阴、毛、陈、思、吴、魏、申、优、徐、海

这为我的表盘设计提供了灵感。我选择了“道”作为“Dao Clock”的象征，Dao Clock是时间和自然的象征。

项目草图：

在道钟的设计中，我将使用光传感器、麦克风、湿度传感器和温度传感器作为输入设备。并使用 Seeed Xiao 作为处理器

当达到合适的环境时，它会从 SD 卡中读取以播放我最喜欢的音乐，并通过作为输出设备的扬声器唤醒我。

对于外壳，我将使用透明的塑料材料，确保这些传感器在运行过程中不受影响。此外，它的吸盘将用于将道钟连接到我的窗户上。

材料清单及外观设计

道钟外观结构包含它包括三个部分：透明顶盖、中间支撑结构以及底部结构

外观材料清单：

名称	数量	描述	价格
透明顶盖	1	透明材料用于保护设备并防止组件暴露在外。选择这种材料是为了展示 Neopixel 照明 效果，同时让光传感器有效运行。
中间支撑	1	圆柱形保护层经过专门设计，用于支撑PCB_Part1的组件，并防止Neopixels在操作过程中干扰光传感器。
底座结构	1	底座用于保护组件，并为放置电池提供空间。
热熔铜螺母	4	嵌入塑料中的金属嵌件，提供耐用、可重复使用的螺纹孔

结构设计

1、 底座设计：

因为我想让这个有趣的产品好看，找到可以直接用来完成这个项目的标准件，所以我在淘宝上找到了我想要的吸盘。根据这个吸盘提供的尺寸，我设计了底座并使其适合我的底座。

2、 外壳设计

由于我需要使用各种传感器来检测环境变化，尤其是光线传感器和温度传感器，所以我选择将外壳设计成透明样式，让光线通过。同时，我考虑在某些位置打孔，以确保麦克风和扬声器不受干扰地工作。

3、 外壳与底座之间的连接结构

我设计了底座与外壳之间的连接结构，以确保传感器可以方便地连接。我设计了嵌入式凹槽，使外壳和底座的安装更加精确。我选择使用螺钉和螺母进行连接，所以我设计了螺丝孔。

需要说明的是，由于可能需要拆卸外壳进行调试和测试，因此我在外壳上设计了热熔螺母工艺。这使得连接外壳和底座变得容易，而且更加坚固。

制造

完成设计后，我需要使用满足特定外观要求的材料。我希望透明的顶盖和底座具有更吸引人的外观，因此我通过3D打印服务提供商进行制造。我自己打印了中间支撑部件并尝试组装。

我将尝试将透明外壳、支撑部件和底座组装在一起，以确认它们是否可以正确组装。但是，我发现中间支撑部件存在严重错误。因此，我使用其他工具修剪零件的接口，最后设法安装了它们。

本项目使用了热熔枪、热熔螺母和相应的螺钉。重要的是，在完成壳体孔的设计后，最关键的一点是确保螺丝不错位。如果它们安装不正确，整个程序集将受到损害并变得无法使用。

您可以看到安装后螺丝的特写以及四个螺丝被正确固定的最终外观。

组装

我在透明盖板和 PCB 上设计了凹槽，以确保它们精确地卡入相应的位置。这种设计保证了螺丝孔对准的准确性。

从图片中可以看出，盖板和PCB安装好后，螺丝孔清晰，螺母可见。

此外，组装完顶盖和底盖后，中间留有一个小缝隙，以便于用六角扳手拧紧螺丝。

一旦螺钉固定，组装部件之间的间隙就很小。

PCB设计

我的电路设计分为两个主要部分：

一部分是用于固定 12 个 Neopixel 的上部模块、一个光传感器和一个小摄像头组件（以下简称“PCB_Part1”。

另一部分是主控电路板，包括XIAO ESP32S3、接口连接、扬声器、电池连接组件（以下简称“PCB_Part2”。

在开始之前，我收集了这个项目所需的传感器的规格和信息。

项目编号	描述	数量	价格
1	DHT11 - 温度和湿度传感器模块	1	$5.99
2	R-1206 - 4.99K - 贴片	1	$0.014
3	R-1206 - 1K - SMD 电阻器	1	$0.00606
4	R-1206 - 499R - SMD 电阻器	1	$0.10
5	C-1206 - 100nF - SMD 电容器	1	$0.26
6	开关 - SW2 - B3SN-3112P - OMRON	1	$0.85
7	NeoPixel x 12 - 5 毫米	1	五包$4.95
8	LED-1206 绿色 - SMD	1	$0.382
9	Seeed-Xiao - ESP32S3 - Sense	1	$13.99
10	Grove - 光传感器 v1.2	1	$3.90
11	Grove - MP3 扬声器	1	$6.90

PS：整体的PCB设计花了我很多时间，由于设计难度大，我不得不调整相应的3D外观设计方案。

修改流程如下：

1. Neopixel PCB方案调整：由于我的设计需要 12 个 Neopixel 串联，所以我创建了设计图，但我发现由于 PCB 的尺寸小，无法通过 CNC 雕刻来实现。因此，我更改了设计计划。

2. 因设计缺陷导致的结构方案调整：在设计过程中，我发现我的方案可能存在缺陷：Neopixels的闪烁会干扰光传感器的正常运行，所以我改变了方案。

3. PCB设计缺陷：在完成所有焊接工作并测试编程后，我发现传感器布局方向错误，导致DHT11损坏。我重新设计了 PCB 的一个版本。

4. 跳线较多导致底部空间设计不足：这让我再次调整了我的3D设计方案。

我的电路设计分为两个主要部分。

1. 一部分是用于固定 12 个 Neopixel 的上部模块、一个光传感器和一个 Xiao 摄像头组件。

2. 另一部分是主控电路板，包括XIAO ESP32S3、接口连接、扬声器、电池连接等组件。

这是我第一部分最初的设计：

突然间，我发现这个设计存在一个关键问题，我无法用小型CNC进行处理，因为走线必须非常细。我们的CNC雕刻钻头只能达到0.4mm的尺寸。

我咨询了Salman导师，他的最终建议是使用带有 12 个 LED 的预制 Neopixels 组件。因此，我重新调整了总体设计方案。

最后，我使用跳线将它们焊接在一起来连接必要的传感器组件。我利用支撑结构，尽可能合理地布置其上的传感器，形成一个新的组件。在设计涉及NeoPixel环的输出时，我最初使用了自己的PCB设计。但是，我在跟踪路由方面遇到了重大问题，因为我们使用了 12 个 NeoPixel，而根据文档，每个 NeoPixel 都需要添加一个电容器。由于走线宽度的限制，这使得使用 CNC 雕刻 PCB 变得具有挑战性。在我的导师 Salman 的建议下，他为我提供了一个预制的 12 NeoPixel 环，让我可以使用现成的模块来完成我的输出设计。

在切换到 12 NeoPixel 环形方法后，我重新设计了支撑结构以适应此组件。通过使用万用表测试每个组件的连接性，我确保没有短路问题。

最终PCB_Part1设计如下：

在完成第一个PCB设计后，我进行了程序测试并发现DHT11运行不正常，我闻到了燃烧的味道。我意识到一定在某个地方短路了。在多次尝试排除故障并烧坏另一个 DHT11 传感器后，我发现电路板设计中的一个缺陷导致我错误地连接引脚，从而损坏了 DHT11 组件。

在从原理图到PCB的转换过程中，发生了一个小错误：我发现Xiao没有相应的足迹。因此，我进入组件编辑器以再次匹配适当的组件。

PCB元件布局

在 PCB 布局部分，我按照以下准则进行设计：

1. 以合乎逻辑和直观的方式放置组件。

2. 使用网格布局以确保正确的对齐和布线。PCB 组件布局是设计过程中的重要一步， 因为它有助于确保 PCB 可制造且功能正常.

第一步是以合乎逻辑和直观的方式放置组件。我将首先将它们分开，以尽量减少电线交叉。

PCB板外形设计：

最终，我实现了我想要的设计。

PCB制造

首先，是将Gerber文件转换为G代码文件，具体有以下两个步骤：

1、 将Gerber文件转换为可识别的PCB照片打印图像。

首先，我们需要从PCB设计接口生成制造文件：

请记住调整PCB设计规则，因为我们对PCB使用CNC加工，并注意 CNC 加工可能的最低精度。

然后将Gerber文件上传到在线工具Gerber2PNG以生成PCB照片打印图像。我们需要获取 3 个图像：Traces、outline 和 Drill。

PCB照片打印图像：

2、 从照片打印图像生成G代码文件。

这一步中，我们需要使用Modsproject(mods CE (modsproject.org))的 G-code Mill 2D PCB

在设置加工文件之前，请注意正在使用的雕刻和钻孔工具的参数。雕刻工具：尖端直径--0.2mm 角度--20°，钻孔工具：0.8mm。

最终，我们可以获得G代码文件的预览。

加工PCB

• 材料固定：使用双面胶带或虎钳固定待加工的PCB材料。

• 工具装载：选择合适的 V 形钻头或钻头，将它们安装在主轴上，并使用主轴扳手将它们锁定到位。

• 设备初始化：使用 Mach3 软件打开机器电源，清除警报，并设置工具的启动位置。

• G代码加载：将G代码加载到Mach3中，在加工前进行最终设置，例如调整主轴转速和进给率。

• 开始加工：启动机器开始加工，根据需要调整进给率并检查加工质量。

最后，我们可以看到完成的PCB。

材料清单

完成PCB加工后，我用万用表测试了PCB电路的连通性，以确保没有短路。具体方法涉及利用万用表的电路连通性测试功能，用正负极探头逐一测试所有导线。

这是Dao Clock的BOM（物料清单）：

元件焊接

烙铁：我使用了额定温度为 400°C 的烙铁。

• 焊料：我使用了 2mm 厚的焊料。

注意：焊接时要非常小心，以确保使用适量的焊料，从而实现组件的电气连接。

完成主要部件的焊接后，我开始焊接XIAO ESP32S3。以下是XIAO ESP32S3 的引脚分配手册。另外，请务必在电源引脚位置放置绝缘贴纸，以防止短路。

完成此电路板后，我使用飞线将其他组件焊接在一起，包括光敏电阻和 Neopixels 环。

代码程序

总迭代次数：

该项目总共经历了 20 次迭代。

输入组件：

• 光敏电阻和DHT11：用于环境数据的传感器。

• WiFi连接：用于时间同步。

输出组件：

NeoPixel 戒指：用于信息的视觉显示。

发展历程：

• 广泛的迭代：该项目涉及许多漫长的迭代。

• Bug修复：在整个开发过程中，我们发现并纠正了许多错误。

具体代码如下：