Моя подруга носит украшения, называемые «индастриал-пирсингом» – по сути, такое украшение представляет собой штангу, продетую через два противоположных прокола в ухе.
Мне же, как любителю интересных проектов с электроникой, пришла идея встроить в эту штангу светодиоды.
Это один из проектов, которые я успел реализовать как раз перед закрытием London Hackspace. К этому моменту у меня уже год, как нет доступа к фрезерному станку, а без него просверливание отверстий в игле от шприца оказалось нетривиальной задачей.
Вот видео, описывающее весь процесс:
▍ Дизайн
Сама затея возникла летом 2022 года, когда я сделал снимок уха моей подруги (с её разрешения, конечно).
Можно ли встроить в эту штуковину светодиоды? Большинство моих знакомых рассмеялись, когда я высказал эту идею. Но все согласились, что было бы очень круто.
Можно купить тонкую трубку из нержавейки различных размеров, но ничто не сравнится с дешевизной и доступностью игл для шприцов. Игла размером 16 G имеет как раз подходящий диаметр и очень тонкие стенки, что очень кстати. Но такие иглы довольно короткие, и я беспокоился, что длины не хватит. Мне удалось найти поставщика длинных игл, используемых модельщиками, и среди них вроде были экземпляры нужного размера, но после тщательных измерений и расчётов я решил, что вполне подойдут стандартные.
Базовый дизайн штанги я сделал в OpenSCAD. Слегка поиграв с масштабом и наклоном фотографии выше, мне удалось наложить на неё макет штанги в Photoshop.
Это до того, как были внесены итоговые корректировки длины. Сделанный макет очень помог правильно определить смещение светодиодов вокруг оси и расстояние между ними.
OpenSCAD также помогла мне прикинуть саму схему подключения и её компоновку.
К самому же проектированию печатной платы я смог приступить, только когда разобрался со всеми этими мелочами. Очень важно было правильно выбрать расстояние между микроконтроллером и светодиодами.
Для создания самых крохотных плат хорошо подходят их гибкие версии. Чисто технически можно заказать у некоторых поставщиков FR4 толщиной 0,2 мм, но стоить она всё равно будет как гибкая. Ещё можно использовать комбинацию гибкости и жёсткости. Тогда мы бы смогли задействовать самый тонкий материал для светодиодов и многослойную плату для микроконтроллера, но это бы сильно повысило стоимость и всё равно не позволило разместить разъём над микроконтроллером.
Когда я решил, что использую в качестве батарейного блока обычные магазинные серёжки, по дизайну сразу многое прояснилось. Металлический корпус является плюсом, а провод, выходящий из иглы, нужно приспособить в качестве заземления.
Я несколько раз переиграл дизайн платы, прежде чем получил итоговый вариант, показанный выше. Даже без учёта кропотливой подгонки размеров для совмещения всех деталей одно только прокладывание дорожек светодиодов оказалось весьма хлопотным. Если бы я взял светодиоды 0201, их бы можно было расположить иначе, проведя дорожки прямо под ними. Однако после оценки всех размеров более подходящей мне показалась модель 0402.
▍ Работа с металлической частью
Простейшая V-образная прорезь в латунном бруске, с помощью которого зажал иглу в тисках, позволила мне просверлить в ней отверстия буквально за пять минут. Хотя изначально этот процесс представлялся мне нереально сложным.
Также помогло то, что для сверления я использовал концевую фрезу. И дело не только в том, что обычное сверло гуляло бы по округлой поверхности, но и в том, что твёрдый сплав намного прочнее. Думаю, надо прикупить миниатюрных твердосплавных свёрл – можно сказать, что для моих задач быстрорежущая сталь «режет» недостаточно хорошо.
Моя сомнительная, но всё же рабочая идея закрепить фрезу в патроне задней бабки наверняка вызвала у некоторых читателей кривую ухмылку.
Хвостовики свёрл мягкие, а кулачки патронов жёсткие. Хвостовики фрез тоже жёсткие, в связи с чем кулачки захватывают их недостаточно хорошо. Будь у меня подходящие инструменты, я бы, естественно, использовал их. Но всё же результат налицо – плоскодонное отверстие получилось точно по месту. А вот торцевое отверстие 1,6 мм вышло уже не столь элегантным – сверло так и норовило соскользнуть. В итоге я однозначно решил, что весь мой инструмент должен быть твердосплавным.
Получилась отличная насадка на иглу. Думаю, пустую трубку довольно легко сдавить. Тем не менее, определив правильное положение иглы, я пролил её достаточной порцией цианакрилата, прежде чем вставил окончательно. Напомню, что гильза с батареей на другом конце будет одеваться/сниматься простым разъединением, так что сидеть она должна очень надёжно.
▍ Электрическая схема
По прибытии печатной платы я почти сразу занялся её пайкой.
По ряду причин после этого я отложил проект почти на год, и лишь пару месяцев назад запитал, опробовав несколько паттернов мигания светодиодов.
В качестве микроконтроллера я использовал ATtiny44. Если бы я проектировал эту диковинку сейчас, то выбрал бы CH32V003, который, хоть и требует больше энергии, зато имеет невероятно полезный отладочный вывод. Сейчас кажется глупостью, что мне пришлось подключать аж шесть контактов, просто чтобы перепрошить микроконтроллер.
После установки микросхемы в корпус украшение обрело полуготовый вид.
Торчащий чёрный провод нужно обрезать – это будет минус батареи. Но как вы видите, на разъёме также присутствуют контакты питания и земли.
Что касается ПО, то светодиоды подключены по схеме чарлиплексинга, и выбранный мной паттерн свечения повторяется примерно раз в три минуты. В целом программное обеспечение аналогично использованному в проекте charliestar, но чуть проще и в итоге делает больше с меньшими усилиями.
Ссылку на исходный код я дам в конце статьи.
▍ Сборка
Как оказалось, дешёвые серьги, которые я использовал в качестве корпуса для батареи, изготовлены не из нержавейки, а из никелированной латуни. Понял я это, когда начал их обрабатывать. Мне даже кажется, что было бы проще самому изготовить этот конец из латуни и никелировать его. С другой стороны, нержавейка выглядит красиво, и, если повезёт, останется такой ещё долгое время.
На этом этапе всё вроде бы работало прекрасно, и я подготовил прозрачный пищевой эпоксидный клей для заполнения отверстий.
Предполагаю, что вы уже посмотрели видео. Если же нет, то вот спойлер: после заполнения штанги эпоксидкой, один светодиод отказал. К счастью, он оказался крайним, так что это не особо заметно. Произошло это уже после застывания клея, так что исправлению не подлежит.
В принципе, я не прочь собрать ещё одну такую поделку с нуля, но пока что у меня перерыв между проектами. Причём я считаю, что прошло уже достаточно времени, чтобы очередная версия стала доработанным вариантом, а не просто второй попыткой.
▍ Торцевая крышка
Изначально я планировал добавить в дизайн одну или более торцевых крышек. Они бы подключались к гребёнке, дублирующей контакты ввода-вывода ATtiny, и предоставляли различные интерфейсы, например, микрофон или ИК-приёмник.
Возможно, в дальнейшем я так и сделаю, но пока до этого руки не дошли. К тому же выбранный мной паттерн мигания светодиодов смотрится вполне интересно.
▍ Кейс
Кейс я тоже смоделировал в OpenSCAD. Делать скругления и фаски было непросто, и я даже не пытался добиться какой-то особой красоты. Честно говоря, после смерти светодиода я хотел уже покончить с этим поскорее. Но кейс получился шикарный. Штанга прекрасно в нём фиксируется, и можно смело носить его в кармане.
Хранится штанга с выключенным питанием, для чего отсек с батареей слегка выдвигается.
В оригинале статьи доступна интерактивная версия макета
Петли сделаны из портновских булавок, продетых через тугие отверстия. Соединение получилось достаточно упругим, и крышка фиксируется в любом положении.
Текстурная поверхность крышки получилась в результате контакта детали с печатной площадкой 3D-принтера. Эта площадка обеспечивает прилипание деталей во время печати, но также добавляет к конечному результату интересные штрихи.
▍ Моделирование
Давненько мне для макросъёмки не позировал человек, так что пришлось повозиться с выбором подходящей выдержки.
Вспышка слегка приглушает светодиоды, и они смотрятся немного тускло.
Возможно, я ещё поснимаю это украшение в процессе носки. Было бы здорово сделать снимки с длительной экспозицией при вспышке, чтобы изображение оставалось видимым, но при этом светодиоды оставляли шлейф.
▍ Заряд батареи
По моим замерам штанга потребляет чуть больше 3 мА. Ёмкость батарей LR521 составляет в лучшем случае 10 мАч, то есть хватать её должно всего часа на три. Однако кривая разряда получилась довольно крутой, и неясно при каком напряжении микросхема откажет – теоретически это может произойти ещё до разряда батареи.
В принципе, есть ещё вариант серебряно-цинковой батареи такого же типоразмера – SR521. Её ёмкость примерно вдвое больше, и она демонстрирует более плоскую кривую разряда. Думаю, с ней светодиоды протянут не менее пяти часов.
Замена батарей – весьма кропотливый процесс. Вообще, вместо того, чтобы просверливать гильзу серьги, мне стоило просто сточить штангу ближе к краю, чтобы можно было одевать на неё стандартные батарейные блоки. Тогда их замена занимала бы считаные секунды.
▍ Заключение
В целом, к моему удивлению, в этом проекте не возникло каких-то особых сложностей. По большей части все моменты, в которых я ожидал трудности, прошли гладко. Очевидно, что очередную модель украшения нужно будет сделать меньше и использовать уже светодиоды 0201.
Я очень доволен результатом. Меня расстроила смерть светодиода, так как все мои шутки на тему пайки элементов трудным путём с помощью неподходящего оборудования теперь звучат немного нелепо. Вполне нормально, если вы используете неподходящее оборудование, но всё же получаете рабочий результат. Если же при этом у вас не выходит ничего годного, то вы просто глупец.
Как бы то ни было, когда я увидел готовое украшение в ухе, то был реально впечатлён.
Если вы захотите заказать себе такую штуковину, то это проблематично. Для меня будет ещё сложнее собирать и продавать эти украшения, чем какие-либо другие мои изобретения, потому что их длину нужно в точности подгонять под ухо. Но если вам уж очень захочется, и вы не сможете реализовать это сами, то напишите мне.
Исходный код для ATtiny лежит здесь.
▍ P.S. от переводчика
С Наступающим или уже наступившим вас Новым Годом, годом Дракона, дорогие читатели! Пусть он придаст вам драконьей силы для достижения поставленных целей, драконью чешую для защиты от возникающих неприятностей и огненное дыхание для разрушения препятствий.
Искренне благодарю вас за уделяемое моим публикациям внимание. Ваш положительный и, порой, поучительный фидбэк помогает мне сохранять бдительность в работе и расширять свой IT-кругозор. В особенности это касается постоянных читателей, с некоторыми из которых у нас выстроился устойчивый, конструктивный диалог.
Успехов вам в ваших стремлениях!
Автор: Дмитрий Брайт
