Умная шкатулка
Текст видео
В последнее время я занимался рассмотрением разных возможностей 3D принтера. Но веди 3D принтер нужен для того, чтобы печатать на нем разные изделия, а не для того, чтобы рассматривать его возможности. Это видео будет как раз об одной из таких самоделок.
Давно собирался сделать одну особенную шкатулку, но все откладывал это. Ее изготовление я начал с моделирования. Готовый эскиз этой шкатулки не кажется таким уж сложным, но на моделирование и проработку различных деталей у меня ушло три дня. Если хочешь сделать что-то красивое, и функциональное, чем будет приятно пользоваться каждый день нужно постараться.
Эта модель кажется немного не рациональной. Потому, что ее не удастся распечатать без подпорок. Мне захотелось сделать ее именно такой, а во всем полагаться на рациональность не стоит, иначе изделия будут получаться топорными.
Внутреннее устройство этой шкатулки тоже интересно. Но для чего все это нужно я расскажу в конце видео. Так смотреть будет интереснее.
На ее крышке установлен дисплей с электро-бумагой. Давно хотел освоить эту технологию. Такие дисплеи дороже, чем обычные OLED, дисплеи, но у них есть ряд преимуществ.
- Они смотрятся гораздо эстетичнее, изображение на них выглядит так, будто бы оно напечатано обычными чернилами на бумаге.
- На то, чтобы изображение отображалась на таком дисплеи не нужно тратить электроэнергию, даже если отключить элемент питания, изображение с него не исчезнет.
Работой дисплея будет управлять микроконтроллер WeMos с wi-fi модулем и антенной.
В качестве элемента питания я буду использовать аккумулятор 18650. Подключенный через зарядный модуль TP4056. На нем есть разъем USB Type C, через который можно производить зарядку. Этот разъем у меня выведен на заднюю панель шкатулки. Так же этот модуль выполняет защитную функцию, он должен отключить литиевую батарею от источника питания, когда ее заряд станет слишком низким.
Литиевые батареи довольно долговечны. Они могут выдержать много циклов зарядки и разрядки не потеряв емкости. Но в тоже время они выходят из строя при полном разряде. Поэтому их нужно подключать через такой контроллер.
В качестве датчика открытия шкатулки я буду использовать геркон с магнитом. Долго думал, как лучше расположить переключатель, чтобы он всегда срабатывал при открытии шкатулки, но потом понял, что лучше геркона ничего не придумать.
Вся электроника закрыта крышками и при открытии шкатулки ее не видно.
Размеры шкатулки. 194 на 120 на 92 миллиметра. Это довольно большая шкатулка. Максимальный размер печати на моем принтере 210 на 210 миллиметров. Если бы она была больше всего на 2 сантиметра, она бы уже не поместилась.
После нарезки модели в слайсере я узнал, что печать основного корпуса шкатулки будет длиться 19 часов, и при заполнении в 20% на нее понадобится 250 граммов филамента.
Чтобы сэкономить часть пластика я разместил одну из деталей там, где должны быть подпорки, поперек шкатулки. Это дно, которое будет закрывать детали внутри шкатулки.
Это ускоренное видео, за одну секунду сейчас проходит 10 минут реального времени. Эти детали печатались всю ночь.
Сейчас происходит печать внутренних опор для радиоэлементов.
А сейчас печатаются только стенки. Шкатулка начнет расти в высоту быстрее, чем раньше.
Думаю, большинство покупателей не задумываются о том, сколько длиться печать, когда покупают гигантские принтеры.
Печать крышки будет занимать около 8 с половиной часов, и крышка будет весить 114 граммов.
Таким образом, для печати этого изделия понадобится 364 грамма пластика. Это немного больше трети катушки. И 27 с половиной часов чистого времени.
Глядя на эти цифры я думаю, что принтер с большим размером столика мене был бы не нужен.
Оторвать детали после печати оказалось нелегко.
В интернете часто можно встретить отзывы о недостаточном прилипании деталей к столику принтера. Сейчас вы можете наблюдать обратную ситуацию.
Подпорка после печати выглядит как большая гармошка.
Электрическая схема этого устройства выглядит вот так.
WeMos здесь используется в режиме глубоко сна. Это специальный режим работы, который позволяет существенно экономить энергию. В этом режиме согласно документации микроконтроллер потребляет около 20 микроампер. Надо сказать, этот режим в микроконтроллерах WeMos и других микроконтроллерах на базе ESP8266 реализован не очень то удобно. И как с ним бороться это тема, заслуживающая отдельного видео. Сейчас скажу только то, что вход в него осуществляется программно. После входа в него практически все функции микроконтроллера отключаются. Остается работать только внутренний таймер. Который через заданный промежуток времени должен подать LOW сигнал на контакт D0,откуда он попадет на reset, после чего произойдет перезапуск микроконтроллера и выход из режима сна. Именно такой способ его использования был задуман разработчиками.
Для выхода из режима глубокого сна нужно подать LOW на контакт reset. Это можно сделать как через контакт D0, так и с помощью подключения D0 к минусовому проводу. Например, с помощью кнопки или геркона.
Геркон это герметичный переключатель. Контакты, которого находятся внутри стеклянной колбы. Эти контакты сделаны из магнитящегося метала. Когда к ним подносят магнит, то они слипаются, а когда его убирают, разлипаются обратно. Чтобы геркон лучше срабатывал, магнит нужно подносить так чтобы его полюса были расположены вдоль контактов. Тогда контакты получат разный магнитный потенциал и притянутся друг к другу раньше. Герконы бывают с двумя и тремя контактами. Если контакта два, то без магнита они разомкнуты. А если три, то один из них разомкнут, а второй замкнут.
У меня был в наличии подходящий геркон с двумя контактами. Но мне нужно было, чтобы он работал наоборот. Т.е. когда шкатулка закрыта, он не должен подавать минус на reset, а когда открыта, то должен.
Его работу я решил инвертировать с помощью вот такой авторской схемы на одном транзисторе. Это уникальная схема, где-то еще вы ее не найдете. База транзистора подключена в равноплечий делитель напряжения, на резисторах по 100 кОм. Когда переключатель разомкнут, то на базе транзистора будет половина напряжения питания и транзистор откроется. Когда переключатель будет замкнут, база будет подключена к земле, на ней будет нулевой потенциал и транзистор закроется.
Таким образом, работу переключателя можно инвертировать. Ток, который постоянно течет через резисторы в этой схеме очень маленький. При напряжении в 4 Вольта он равен всего 0,04 миллиампера. Емкость батареи 18650 равна примерно 3000 миллиампер * час. Это значит, что через такой резистор батарея будет разряжаться около 10 лет.
Контакт A0 имеет аналого-цифровой преобразователь. Проще говоря, он позволяет измерять напряжение на нем. Этот контакт подключен через резистор на 100 кОм к плюсу батареи. Внутри микроконтроллера он уже подключен к земле через резистор на 320 кОм. Таким образом, можно получить на нем делитель напряжения и измерить уровень заряда батареи. Может быть, сниму про это отдельное видео и расскажу более подробно, как это работает. В интернете по этому поводу мне попадалось много неточностей.
К контакту D1 я подключил зуммер для звуковоспроизведения. И еще есть семь проводов, к которым у меня подключен дисплей.
Подавать именно 5 вольт на вход WeMos не обязательно. На плате WeMos есть встроенный преобразователь напряжения. Я пробовал подавать на вход напряжение от 2,6 вольт до 4,2 вольта, с ними вся эта схема работает хорошо.
Раз уж я решил использовать микроконтроллер WeMos, то стоит попробовать обойтись без модуля реального времени, используя для получения точного времени сервера в интернете. Антенна в этой схеме нужна именно для этого.
Можно приступать к сборке.
Вначале сделаю маленькую плату инвертирующую работу геркона.
Теперь припаиваю монитор к шлейфу из проводов. Для этого шлейфа предусмотрены специальные отверстия в корпусе.
Теперь припаиваю провода к WeMos. На схеме казалось все просто, но на деле проводов оказалось довольно много.
Крышка прикрепляется с помощью стержня из медной проволоки. Это стандартный медный провод с сечение 1,5 мм2. Такой провод не сложно найти.
Отверстия я сделал так, чтобы в отверстия на корпусе шкатулки этот стержень вставлялся туго, а в отверстия на крышке чуть свободнее. В прошлых видео я выяснил что для того чтобы детали вставлялись туго нужно к диаметру прибавить 2 десятых миллиметра, а чтобы свободно 4 десятых.
Измерю ток потребления готового устройства в режиме сна. На геркон я положил маленький, черны магнит, чтобы эмитировать закрытие шкатулки. Один из проводов питания разрезал и включил в него амперметр.
Сейчас шкатулка обновляет информацию на экране. Сейчас она в режиме глубокого сна. Ток потребления 0,35 мА. Емкость аккумулятора примерно 3000 мА*ч. Значит, этой емкости хватит примерно на один год.
3000/0,35/24=357 дней
Шкатулку нужно будет подзаряжать раз в год. Это отличный результат.
Вот так выглядит конечное изделие. Практически как в 3D модели. Даже немного лучше.
Ее можно поставить на зарядку, на обратной стороне у нее есть разъем micro USB type C. Когда идет зарядка горит красный индикатор и корпус рядом с разъемом подсвечивается красным. Когда зарядка завершена синим.
Теперь можно рассказать о том какую функцию она выполняет. На дисплее крупными цифрами отображается время последнего открытия. Под ним время пяти предыдущих открытий. Вверху уровень заряда батареи и сигнала wi-fi. Спустя 30 минут после открытия она играет короткую мелодию.
Теперь вы знаете про эту шкатулку практически все. Как думаете, зачем все это нужно? Если хотите, можете поставить видео на паузу прямо сейчас. Через несколько секунд я дам вам правильный ответ.
Правильный ответ такой. У меня есть одна знакомая. Ей нужно ежедневно принимать таблетки за полчаса до еды, но она иногда забывает это сделать, а после не может вспомнить принимала ли она их сегодня. Эта шкатулка была сделана для нее.
Вещь получилась уникальная, красивая удобная и функциональная. Ничего подобного я не нашел в магазинах.
А как бы вы использовали шкатулку, которая показывает время своего открытия? Напишите об этом в комментариях. Может быть для того, чтобы прятать конфеты от детей?
Возможно, я сниму другие видео, в которых более подробно рассмотрю некоторые технические моменты. Думаю, эта информация будет полезной для любителей конструировать электрические устройства на базе микроконтроллеров WeMos, Arduino и других.
Не думаю, что хоть кто-то из моих зрителей захочет повторить этот проект полностью. Поэтому я так же сделал модель такой шкатулки без электроники. Полезные ссылки на модели и исходники прошивки будут в описании под видео.