Coisa de luz intermitente dobrável: 15 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

Inspiração

Alguns anos atrás, meu irmão teve uma ideia brilhante para um produto que chamou de Blinky Light Thing. Era um dispositivo quase inútil que servia apenas para divertir o dono com luzes piscantes, vibrações e algum tipo de movimento primitivo (como um único pé que poderia balançar). Teria sido como Pet Rock para o novo milênio. Nunca foi feito.

Avance para agora. Tive uma ideia para um jogo envolvendo luzes piscando, bipes e sensores de toque. Parecia mais prático, mas ainda uma "coisa" com "luzes piscando" e então o nome foi apropriado para este dispositivo!

O que é Blinky Light Thing?

Doravante referido como BLT, é um pequeno objeto portátil (atualmente um cubo) no qual você pode jogar uma série de jogos. Cada lado do cubo pode se iluminar e também sentir o toque. O cubo também sabe para que lado está orientado e pode sentir o movimento.

Mas aqui está a parte legal (bem, além das luzes que piscam e tudo mais …). Ele tem a capacidade de se comunicar com outros BLTs! Ele faz isso por meio de Bluetooth Low Energy, ou BLE. Isso permite jogos envolvendo mais de um cubo e jogos com vários jogadores.

Evolução

Originalmente, quando a inspiração me atingiu, imaginei cubos muito menores e tendo vários deles. Eu rapidamente concluí que isso era muito complexo para ser feito como um primeiro protótipo, e decidi ter apenas 2 cubos maiores para provar o conceito. O primeiro projeto seria construído como um cubo rígido com laterais de acrílico, com um inserto contendo os componentes eletrônicos e painéis montados em uma moldura interna. Também no projeto original, os LEDs embutidos no Circuit Playground iluminariam as laterais do cubo por meio de 'tubos de luz' feitos de acrílico dobrado. No geral, isso foi muito inteligente, mas provavelmente também elaborado demais! Cheguei a fazer o cubo, os painéis e a estrutura interna antes de perceber que era muito complicado.

Digite: papel

Em um ponto no início de meus esboços, coloquei todos os componentes em um desenho plano dos lados do cubo, apenas para visualizar as coisas melhor. Muito mais tarde, voltei a essa ideia e pensei, talvez eu pudesse realmente torná-lo plano e, em seguida, "dobrá-lo". Achei que poderia fazer isso com os painéis de acrílico, colocando-os na horizontal, montando todas as peças e, em seguida, "dobrando" tudo na posição.

Então, mais tarde, pensei, bem, por que não ir em frente e fazer um protótipo de papel / papelão e literalmente dobrá-lo? Eu já tinha brincado com as idéias de um computador dobrável e um robô dobrável, então por que não isso também?

Etapa 1: Lista de peças

Peças para fazer uma única coisa de luz intermitente. Os NeoPixels geralmente vêm como uma faixa de 1 metro, o que é suficiente para construir 2 cubos com um pouco de sobra.

Fita de folha metálica reflexiva de 2 - $ 3,38

Folha de acrílico 8 "x 10" - $ 3,38

2 folhas de cartolina, 8,5 "x 11" - $ 3,99. Usei azul, mas qualquer cor escura funcionaria bem.

Circuito Playground Classic - $ 20

Módulo HM-10 BLE - $ 4

Fio de pequena bitola. Usei um cabo de fita reciclado - $ 1,77 de um conector de unidade de disquete antigo.

Tira NeoPixel de 1 metro - $ 6 (30 leds, só precisamos de 12)

3 porta-pilhas AAA - $ 140

Cola adesiva - $ 1,29 ou outra cola para papel

Cola quente

Ferramentas necessárias

Decapantes de fio ou uso cuidadoso de uma lâmina de barbear.

Ferramenta de marcação acrílica ou lâmina x-acto apropriada

Ferramenta de pontuação para papelão ou uma boa caneta esferográfica

Grampos (torna o corte de acrílico mais fácil)

Gravador ou outra ferramenta semelhante a Dremel.

Lixa de grão fino

Isqueiro Bic (se você quiser fazer o polimento à chama do acrílico)

Soco

Etapa 2: o cubo

O BLT concluído é um cubo de 2,5 "quadrado. Este tamanho foi alcançado como um bom compromisso para conter o Circuito Playground (um círculo de 2") e os painéis de acrílico, o suporte da bateria, etc.

Os lados de um cubo podem ser dispostos em uma folha de papel cartão. Você sabia que existem 11 maneiras diferentes de fazer isso? Eu não fiz! Eu tinha outras restrições, no entanto. Ele tinha que caber em uma folha de papel / cartão de tamanho padrão (8,5 "x 11") e tinha que ser dobrado de forma a minimizar as dobras na fiação. O padrão que escolhi se encaixa quase perfeitamente para fazer o cubo de 2,5 ". Também permite que cada lado do cubo tenha uma parte externa e uma dobra, que forma a parte de trás de cada painel de acrílico.

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Etapa 3: painéis brilhantes

Cada lado do cubo possui um painel de brilho iluminado por bordas. Cada um deles tem o tamanho de 2 polegadas quadradas, com cerca de 1/4 "extra de um lado. Essa parte extra será onde os LEDs serão montados. Usei acrílico de 0,08" de espessura da Plaskolite, que comprei na Lowes em 8 x 10 folhas. Uma folha fornecerá a você todas as peças de um cubo. Você poderia obter essas peças cortadas a laser de um serviço como o Ponoko, mas eu fiz isso manualmente.

Para cortar as peças, você precisa de uma ferramenta de pontuação. Usei uma das lâminas do meu kit x-acto. Eu coloquei uma impressão das partes sob o plástico e, em seguida, marquei ao longo das linhas no topo. Você tem que pensar sobre quais linhas quebrar primeiro, porque você tem que quebrar o plástico de uma borda a outra. Você não pode fazer isso para fazer um buraco, por exemplo. Eu recomendo prender o plástico na borda de uma mesa com a linha pontilhada na borda da mesa. Então, com um rápido empurrão para baixo, o plástico se quebra. Isso deixa uma borda relativamente lisa, mas você vai querer lixá-la o mais plana possível.

Todas as bordas são então lixadas com lixa de grão fino para torná-las o mais lisas possível, e também ligeiramente arredondadas, o que ajudará a manter a luz refletida dentro do plástico. Por fim, fiz um "polimento à chama" das bordas com um isqueiro Bic simples. Em uma borda (a dimensão longa, ou seja, os 1/4 de polegada extras), lixei um chanfro arredondado, que ajudará a refletir a luz para o resto do painel. Em vez de prender os LEDs na borda, o que seria difícil de fazer neste projeto, os leds serão fixados no outro lado do chanfro, alinhados com a superfície do painel.

Os padrões são gravados no plástico com uma ferramenta Dremel e uma pequena broca redonda. Isso cria superfícies onde a luz pode ser desviada, produzindo os padrões brilhantes. Para obter o melhor brilho, você deseja os padrões na parte de trás da placa. As placas são então dobradas para dar mais contraste às características brilhantes. Para contenção de luz extra, usei um pouco da fita adesiva ao redor da área de dobra e ao redor do LED.

Você provavelmente obteria melhores resultados com um serviço como o Ponoko cortando e gravando os painéis a laser, mas não fui paciente o suficiente para este protótipo, então o fiz à mão.

Para meu primeiro cubo, usei um padrão de palavras Galifreyanas para cada lado. Se você é um fã de ficção científica, reconhecerá instantaneamente o que são, mesmo que não saiba o que diz …:)

Etapa 4: dobrar

Agora queremos anexar os painéis. Descobri que a cola pegajosa realmente não grudou no acrílico. Acabei usando fita dupla-face. Só percebi depois de completar o cubo que a fita dupla-face também tendia a brilhar, então não foi uma boa ideia usá-la em toda a parte de trás do painel, você só deve prender nos quatro cantos.

Observe a disposição dos painéis para que você possa dobrá-los e ficarem colocados corretamente. Pressionei as bordas dos painéis para prendê-los com o papelão. A cola adesiva funciona muito bem aqui, pois agarra o papel rapidamente e o segura.

Etapa 5: Sensores

Para detectar o toque, cada lado do cubo possui um sensor capacitivo. Isso é feito de fita adesiva, que você pode comprar facilmente em uma loja de artigos para casa como a Lowes. É normalmente usado em dutos de ar para vedar as peças dos dutos. Um único fio é desencapado em uma extremidade e colocado próximo à borda do sensor e, em seguida, preso a ele com outro pequeno quadrado de fita adesiva. A fita tem 2 de largura, o tamanho perfeito, e use três comprimentos para obter dois sensores de toque cada.

Todos os sensores são conectados juntos e aterrados com um círculo cortado no meio de cada painel e conectados por um fio.

A experimentação era importante aqui. Minha primeira tentativa usei um quadrado simples de papel alumínio. Isso funcionou bem ao tocar diretamente a folha, mas não funcionou bem ou não funcionou quando atrás do acrílico. Para minha próxima tentativa, cortei um círculo no centro da folha com uma lacuna de aproximadamente 2 mm para o restante da folha externa. O fio do sensor se conecta ao centro enquanto a folha externa é aterrada. Isso funcionou consideravelmente melhor e era sensível mesmo atrás de duas camadas de plástico.

5 sensores são todos iguais, mas o sexto sensor é onde o Circuit Playground está. Eu queria ainda ser capaz de usar os LEDs internos nesta placa, então, um padrão foi feito e usado para cortar círculos no papel alumínio e também no fundo da cartolina.

Etapa 6: fio de luz intermitente

Em meu projeto original, comprei LEDs SMT 5050 individuais e soldou fios neles. Isso era estranho e complicado, e o barbante resultante não se encaixava na versão dobrada de papel que acabei fazendo. Então eu comprei um comprimento de 1 metro de NeoPixels com 30 pixels por metro. Esse era o espaçamento quase perfeito para obter dois pixels por painel. O problema é que eu teria que dobrar a corda em uma esquina, não importa como posicionasse o cubo. A dobra também seria uma dobra composta, não apenas uma dobra simples.

Você pode pedir tiras em formato de "S" que devem ser dobradas dessa forma, mas eu não queria esperar um mês para fazer o pedido na porcelana. Então peguei as tiras padrão e cuidadosamente cortei três orifícios para obter uma tira mais flexível. Tenha cuidado aqui porque você deseja deixar vestígios de cobre suficientes para que ainda funcione. Calculei quanta energia a tira usaria e, portanto, a largura dos traços que precisavam ser, então, contanto que ainda tenha cerca de 2 milímetros de largura, você estará bem.

Mesmo com os furos, é um pouco complicado colocar a tira no lugar. Ele é mantido pressionado por uma gota de cola quente a meio caminho entre cada LED. Como a tira é brilhante, você pode facilmente retirá-la da cola quente, então tome cuidado. É difícil de ver, mas, para cada dobra, dei à tira de led uma pequena "covinha" para cima, de modo que, quando o cubo for dobrado, ele se dobrará para dentro. Isso é necessário porque, caso contrário, dificultariam o dobramento, pois a tira é muito rígida.

Certifique-se também de orientar a faixa de forma que a extremidade de entrada fique próxima ao painel onde o Circuit Playground será montado. Você precisará soldar três fios ao final da tira aqui.

Etapa 7: Alimentação

Eu usei 3 baterias AAA para obter 4,5 V, o que é mais do que suficiente para alimentar o Circuit Playground (que irá regular isso para 3,3 V para o módulo BLE) e apenas o suficiente para a faixa de LED (idealmente, 5 V, então eles podem não ser tão brilhantes quanto poderiam ser, mas é bom o suficiente).

Usando um pouco mais de cartolina verde (só por diversão), criei uma caixa simples ao redor dos porta-baterias. Usei um porta-AAA 2 x e outro porta-AAA único porque era o que eu tinha em mãos. A caixa de suporte da bateria fará uma montagem segura para as baterias e também adicionará um pouco mais de resistência ao cubo final.

Etapa 8: os circuitos

Para controlar o cubo, usei um parque infantil do circuito Adafruit. Eles são mais caros do que um Arduino Nano ou Pro Mini, no entanto, eles têm muitos recursos integrados, como o acelerômetro e alto-falante, microfone e dois botões. Ele também tem 10 NeoPixels a bordo. Originalmente, planejei usar acrílico para criar tubos de luz que se dobrariam dentro do cubo para redirecionar a luz para todos os seis lados. Isso ficou muito complicado e nos testes parecia que a luz não iria brilhar o suficiente, então optei pela tira de NeoPixel. Os pixels integrados serão usados para outros indicadores.

O módulo HM-10 deseja níveis de 3,3 V para a comunicação serial e, como o Circuit Playground também funciona a 3,3 V, não há problema em conectá-los diretamente. Se fôssemos usar outro tipo de Arduino como um Nano ou Pro Mini rodando a 5 V, gostaríamos de reduzir essa tensão na entrada RX do HM-10 com alguns resistores (um divisor de tensão).

Como estamos usando um módulo bluetooth para a comunicação entre cubos, ficamos com apenas seis linhas de E / S, uma para cada sensor capacitivo para as laterais do cubo. Isso não deixa nenhum I / O para os NeoPixels externos. Por causa do tempo estrito necessário para os NeoPixels serem programados, podemos usar um pino para os pixels e um sensor. Verificamos o sensor periodicamente e, quando necessário, usamos o pino para programar os pixels. Os pixels realmente não percebem o sensor e, claro, o sensor não se preocupa com os pulsos de programação. Em teoria, o sensor adiciona capacitância à linha que pode afetar os pixels, mas não parece ser suficiente para causar um problema.

O que acontece, no entanto, é um problema de codificação. Como o sensor capacitivo é uma entrada, o código define o pino para o modo de entrada. Quando você tenta controlar os NeoPixels, não funciona. Simplesmente definir manualmente o pino de volta para o modo de saída corrige o problema.

O diagrama de Fritzing mostra um módulo bluetooth HC-05, mas na verdade estamos usando um módulo HM-10 BLE, que tem a mesma pinagem. Ele também mostra 4 pilhas AAA, mas só precisamos de 3. Finalmente, os sensores capacitivos não são pré-fabricados, mas feitos de fita adesiva … o diagrama serve principalmente para mostrar como tudo se encaixa. Os fios são agrupados para mostrar como o cabo plano foi usado.

Etapa 9: Módulo BLE

Precisamos configurar o módulo wireless BLE. A maneira mais fácil de fazer isso é com um programador FTDI simples, que também é comumente usado para programar Arduino que não tem um USB embutido (como um Pro Mini, por exemplo). Você pode obtê-los por apenas alguns dólares. Você vai querer conectar as conexões Gnd e Vcc ao módulo BLE e as conexões RX e TX, mas elas estão trocadas. Portanto, o RX em uma placa vai para o TX na outra placa. Isso faz sentido porque uma placa transmite para a outra placa recebendo.

Ao conectar o USB do FTDI em seu computador, você deve conseguir se conectar a ele por meio do monitor serial no IDE do Arduino (uso a versão online em https://create.arduino.cc/editor). Você precisará definir o Baud para 9600, se ainda não estiver.

Para ter certeza de que está funcionando, digite:

AT + NAME?

e clique no botão Enviar. Você deve obter uma resposta com o nome atual do dispositivo (+ NOME = qualquer). O meu foi inicialmente denominado BT-05, que é um módulo diferente (AT-09 *) do HM-10 padrão, mas na foto você pode ver que já o renomei BLT (o nome é limitado a 12 caracteres.. então "Blinky Light Thing" não ia funcionar). Para renomear, digite:

AT + NAME = BLT

E então eu tive que redefini-lo para que o nome aparecesse:

AT + RESET

Como estamos fazendo vários cubos que precisam se comunicar, um dos cubos deve ser o "mestre" (ou "central" nas especificações BLE) e controlar / falar com os outros cubos ("escravos" ou "periféricos") Para fazer isso, para o mestre precisamos enviar esses comandos (os módulos padrão são escravos / periféricos).

AT + IMM0

AT + ROLE1

Isso diz ao módulo para se conectar automaticamente (o primeiro comando) e então ser um dispositivo "central" (o segundo comando).

* Nota

Meu (s) módulo (s) eram módulos AT-09 (a placa "breakout" maior) com um HM-10 (a placa menor) preso nele. O chip real que faz todo o trabalho é um Texas Instruments CC2541. Existem muitas variações desses módulos, portanto, tome cuidado com o que está solicitando. Você deseja encontrar módulos genuínos de Jinan Huamao.

Os meus também continham um firmware que não consegui identificar e, portanto, não respondia a quase todos os comandos AT interessantes. Tive que fazer um reflash para o firmware de Jinan Huamao (https://www.jnhuamao.cn/download_rom_en.asp?id=). Se você acabar com um desses, aqui está o processo para "consertá-lo", (https://forum.arduino.cc/index.php?topic=393655.0)

Etapa 10: Fiação final

Para a fiação final, usei um cabo de fita reciclado de um conector de unidade de disquete antigo. Qualquer fio fino funcionaria aqui, mas o cabo plano tornou mais fácil manter as coisas limpas e organizadas. O cabo de fita é flexível o suficiente para dobrar e entortar quando necessário.

Usei pontos de cola quente para segurar as coisas ou, em alguns lugares, apenas mais fita adesiva. O Circuito Playground é mantido no lugar com outro pedaço de papel cartão dobrado.

Etapa 11: Teste

Antes de finalizar qualquer coisa, sempre teste as coisas para ver como funciona (se funciona!).

Antes mesmo de montar qualquer coisa, eu queria testar os sensores e também a string de LED. Como um pino deve ser compartilhado entre a string de LED e um sensor, esta foi a primeira coisa que testei. Foi aí que descobri que não funcionava, mas que o motivo era apenas que o pino compartilhado tinha que ser configurado de volta para um pino de saída após o uso do sensor.

O primeiro sensor que testei era apenas um simples quadrado de papel alumínio. Isso funcionou, mas não muito sensível. O Circuit Playground é configurado para permitir toque capacitivo diretamente em seus pads (por meio de um resistor menor). Infelizmente, para obter mais sensibilidade, você precisa de um resistor maior, mas não podemos mudar o que já está na placa. Em meu segundo teste, usei um sensor circular no meio do quadrado da folha com cerca de 2 mm de folha removida, com o resto da folha aterrada. Isso criou um sensor muito mais sensível que funcionou mesmo atrás dos painéis de acrílico.

Infelizmente, depois de montar tudo, mas ainda na forma "plana", testei os sensores novamente e eles não funcionaram bem, exigindo um toque direto na folha. Acredito que seja o resultado de uma capacitância parasita no cabo plano, algo que não havia considerado.

Etapa 12: Redesenho do sensor

A primeira coisa que tentei foi mitigar os efeitos da capacitância parasita. Percebi, usando o cabo de fita, que todos os fios do sensor estavam próximos um do outro, criando mais capacitância. Isso resultou em dois sensores mais distantes agindo juntos, ou seja, eu poderia pressionar qualquer um e obter a mesma leitura em qualquer um dos pinos de entrada. Em retrospecto, eu poderia ter usado mais fios no cabo plano, com um fio terra entre cada fio do sensor. Eu não queria religar tudo neste momento, então, eu vim com uma solução inteligente.

Em vez de um fio terra dedicado, eu poderia alterar todos os pinos do sensor para serem saídas com um valor lógico de 0, o que significa que eles seriam aterrados. Então, o único sensor que eu queria ler seria a única entrada. Isso seria repetido para ler cada sensor. Isso ajudou muito apenas com um pouco de programação extra!

Além disso, separei os fios do módulo BLE dos fios do sensor para que não interfiram.

Ainda assim, o sensor não detectaria o toque atrás da tela de acrílico. Finalmente, decidi que o sensor de capacitância embutido do Circuit Playground simplesmente não funcionaria. Ele foi projetado para toque direto e, portanto, tem um resistor de 1 megohm em cada entrada. Como não posso mudar isso e não havia mais pinos disponíveis, tive que detectar a capacitância com apenas um pino e um resistor externo.

Eu adicionei um resistor de 10 megohm a cada entrada, conectado a um pino de 3,3 V e mudei para uma biblioteca de sensores capacitivos que funciona em um único pino. A razão pela qual isso torna o sensor mais sensível é que o resistor mais alto faz com que ele carregue mais lentamente, permitindo uma medição mais precisa.

Etapa 13: Código

O código é o que faz tudo isso funcionar, é claro. Tenho vários jogos em mente para este cubo, bem como para vários cubos. Atualmente eu apenas tenho implementado o jogo simon-like. Você pode encontrar o código aqui:

Etapa 14: A dobra final

Agora que temos tudo conectado e testado, podemos fazer as dobras finais que transformam essa criação 2D em um cubo 3D. Começando pela dimensão longa da montagem, dobre as três dobras internas e depois coloque a aba na fenda, formando o corpo principal do cubo. Cole com cola adesiva. Em seguida, dobre o painel superior (aquele com o Circuito Playground) no cubo, colocando as guias nos slots. Você deve colar isso no lugar porque provavelmente precisará abri-lo para fins de reprogramação.

O lado final, que serve de capa para as baterias, não deve ser colado, mas precisa de alguma fita ou algo para segurá-lo no lugar. Em um design subsequente, ele poderia ter uma aba de travamento que se encaixaria na aba principal para mantê-la no lugar, como muitos pacotes de produtos usam.

Agora você deve ter um Blinky Light Thing totalmente funcional!

Etapa 15: O Futuro

Este foi o protótipo do Blinky Light Thing. O objetivo é fazer vários outros cubos. Os cubos serão capazes de se comunicar entre si e permitir jogos com vários cubos e / ou vários jogadores. O design final deve ser um bom cubo de acrílico cortado a laser ou, possivelmente, um corpo impresso em 3D com painéis de acrílico. Eu gostaria de fazer isso como um kit e ser simples o suficiente para uma criança. Os circuitos de sensores de LEDs podem ser construídos em um PCB flexível para torná-lo muito mais simples de construir.

Ou quem sabe poderia ser fabricado como um brinquedo? Eu preciso jogar testá-lo com as pessoas para ver o que elas pensam. Já como protótipo, tenho várias crianças e adultos querendo brincar com ele e perguntando o que é..