Digitale schatkist: 6 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Ik studeer Game- en Interactietechnologie aan de Hogeschool voor de Kunsten Utrecht. Er is één project genaamd "Als dit dan dat" waar je wordt gevraagd om een interactief product te bouwen. Je moet een Arduino gebruiken, een interessant interactief element ontwerpen en er een mooi en professioneel uitziend prototype omheen bouwen. Ik had een aantal duidelijke persoonlijke wensen voor dit project: ik wilde leren lassen, ik wilde leren programmeren in C/C++ en ik wilde een 14-segments display besturen dat voor altijd bij mij had gelegen. Het kostte me een paar weken om op een idee te komen dat deze aan elkaar bond, maar toen kwam het eindelijk bij me op: ik ging een kist maken die je moet openen met een code, maar geen code. Een druksensor wordt continu afgelezen en getoond op een display, je moet het juiste nummer bereiken en drie keer bevestigen om de kist te ontgrendelen.

Ik wilde dat de kist een soort modern-industriële uitstraling zou hebben, dus mijn materiaalkeuze was staal en hout.

Uiteindelijk ben ik best tevreden met hoe het is geworden! Ik heb de onderstaande stappen opgeschreven, zodat je het opnieuw kunt maken of zelfs kunt verbeteren! Veel plezier!

Stap 1: Ingrediënten verzamelen

Voordat we beginnen, hebben we wat onderdelen nodig. Hier is de volledige lijst:

Behuizing:

• 350cm vierkante stalen buis, 20x20x2mm
• 6x 26x26x0,9cm multiplex panelen (de meest efficiënte manier is om een plank groter dan 52x72cm in zes stukken te zagen, maar zorg ervoor dat je wat overgebleven hout overhoudt!)
• 1x 26x22x0.9cm multiplex paneel
• 90cm 22x30mm hout (gesneden in stukken van 26cm, 2x 18cm en 2x 12cm)
• Kleine scharnieren
• 2x akkoordloops
• Schroeven: 4.0x16, 4.0x20, 4.0x25, 3.0x12 (ongeveer tien van elk, inclusief enkele reserve)
• Bouten: M3x20, M6x12, 1x M10x30 (ongeveer tien van elk, inclusief enkele reserve)
• Moeren: M3, M6, M10
• Handvat
• 2x 8cm 25x4mm stalen staven

Elektronica:

• Knop
• LED rood
• LED blauw
• Krachtgevoelige weerstand
• Solenoïde in slotstijl (de mijne is een 12V 650mA-model)
• HDSP-A22C 14-segments display
• MCP23017 Digitale I/O-uitbreiding
• 15x weerstand 470
• 3x weerstand 1k
• 6x weerstand 10k
• 1N4007-diode
• 2x BC547B-transistor
• 2x BC557B-transistor
• TIP31A-transistor
• 12V 1A muuradapter

Stap 2: Een kist bouwen - het stalen frame

De kist is een 30 cm grote kubus, gemaakt van stalen buizen en houten panelen. In de garage vond ik mooie vierkante buizen van 20x20mm met 2mm dikke wanden. De wanden moeten dik genoeg zijn om te kunnen lassen en om schroefdraadgaten te tappen voor M3-bouten. 2 mm is hiervoor de perfecte dikte. Natuurlijk kun je hier elk soort stalen buis voor gebruiken als je betere ideeën hebt.

De meest elegante manier om het frame te bouwen is om twee vierkanten van 30x30cm te maken en deze twee vierkanten vervolgens te verbinden met buizen van 26cm (30 - 2*2). Om de vierkanten te maken, snijdt u de lange stalen buizen diagonaal in acht stukken. De uiteinden van de stukken moeten in een hoek van 45 graden naar elkaar toe worden gesneden. De lange uiteinden van het stuk zijn 30 cm. Bij gebruik van een gemonteerde zaag is het eenvoudig om het blad 45 graden te draaien en de buis na elk stuk te draaien. Hierdoor wordt het minste materiaal verspild. Nadat je de acht diagonaal gesneden stukken hebt, is het tijd om nog vier rechte stukken te snijden. Deze stukken zijn 26 cm lang.

Snijd vervolgens tien stukken van ongeveer 6 cm van een stalen staaf van 20x4 mm. Dit zijn de bevestigingspunten voor de houten panelen.

Als al het metaal klaar is, is het tijd om te lassen. Het moeilijkste deel hier is het uitlijnen van de buizen die je hebt gesneden. Laten we beginnen met de bovenste en onderste vierkanten. Neem de diagonale stukken en lijn ze uit in een vierkant op een stuk hout. Een tip hierbij is om een ongeveer vierkante plaat van ongeveer 30cm te gebruiken, zodat je de hoeken van de randen kunt laten vallen als je ze in een hoek van 45 graden legt ten opzichte van het hout. Zet ze vast met een paar klemmen en zorg ervoor dat het metaal in alle hoeken raakt, zodat de elektriciteit tijdens het lassen van elk stuk naar het volgende kan stromen. Als je nog nooit eerder hebt gelast, is dit het moment om een beetje te oefenen, want als je het verprutst, kun je alles tot nu toe doen. Hoe dan ook, las de stukken in de hoeken aan elkaar (ik heb ervoor gekozen om het aan de binnenkant te doen) en je hebt nu het eerste deel voltooid! Het tweede vierkant is gemakkelijker uit te lijnen, omdat u het gewoon op het eerste kunt leggen. Las deze ook aan elkaar. Als alles goed is gegaan, zou je nu twee identieke stalen vierkanten moeten hebben.

Op dit punt wil je de bevestigingspunten voor het hout bevestigen. Ik gebruikte twee stukken voor elk paneel aan de tegenoverliggende randen van de kubus. Ik koos een specifiek patroon zodat geen enkel stuk het deksel niet in de weg zou zitten en ik dus niet twee stukken aan dezelfde rand hoefde te monteren. Je kunt het op elke gewenste manier doen, zolang de rand waar de solenoïde wordt vergrendeld er geen heeft.

Op dit punt nam ik ook een slijpgereedschap met een staalborstel eraan om het staal schoon te maken. De staven hadden wat roestige plekken en ik vond dat ze er mooi uitzagen.

Om het stalen frame te bouwen, hoeven we alleen de twee vierkanten die we nu hebben met elkaar te verbinden. De eenvoudigste manier is om ze rechtop op een vlakke ondergrond te plaatsen en twee van de 26 cm buizen ertussen te leggen. Een extra paar handen is erg handig als je ze vastklemt. Las dit aan elkaar en herhaal het voor de andere kant.

Als alles goed is gegaan, zou het stalen frame nu klaar moeten zijn!

Stap 3: Een kist bouwen - de zijkanten en het deksel

Om de kist af te werken, moeten we houten panelen aan de zijkanten toevoegen. Houd er rekening mee dat de elektronica in het deksel wordt verborgen, dus je hebt iets meer bord nodig dan slechts 6 stuks van 26x26cm. Bij de bouwmarkt hadden ze 122x61cm, wat perfect was. Ik koos voor een wat dunner hout dan ik oorspronkelijk van plan was, maar het zag er uiteindelijk beter uit dan dikker hout zou hebben. Wanneer de stalen buis 2 cm breed is, afgeronde hoeken heeft en de beugel 4 mm breed is, houdt u ongeveer 10 mm over voor het paneel terwijl u er toch goed uit blijft zien. De platen die ik vond waren 9 mm dik, dus dat was perfect.

Snijd de borden in zes panelen van 26x26cm. Als uw las een beetje groot is, moet u de hoeken afsnijden. Als je de platen hebt, leg ze dan in het frame. Het is handig om te labelen welke waar hoort. Markeer in het midden van het hout de plaats waar de twee gaten komen. Plaats het hout op de betreffende plaats in het frame en boor het gat voor de bout. Ik had M6-bouten liggen, maar elke bout is goed. Grotere bouten kunnen het een gedurfdere uitstraling geven, maar zelfs een M3 kan het prima bij elkaar houden. Zorg ervoor dat de bouten niet te lang zijn, omdat ze in het frame uitsteken. Dit is waar je je spullen in opbergt, dus als er lange bouten uitsteken, zal het een beetje onhandig zijn. Als je exact dezelfde materiaalafmetingen hebt gebruikt als ik, zou een bout van 20 mm moeten zijn waar je naar streeft. Als de gaten zijn geboord, kun je de platen monteren, maar wacht met het vastmaken van iets voordat het deksel klaar is, je wilt jezelf niet buitensluiten!

Voor het deksel beginnen we met een van de platen die we voor de zijkanten snijden. Het idee is om van het deksel een behuizing voor de elektronica te maken. Bij de bouwmarkt vond ik ook een stuk hout van 22x30mm, wat de perfecte afstandhouder zou zijn. Het biedt drie centimeter waar u uw elektra kunt verbergen. Voordat we deze op het deksel lijmen, moeten we gaten in het hout maken. Het zijn allemaal ronde gaten, behalve die voor het display. Gebruik voor de ronde een boor. Gebruik voor maatreferentie het schema in de bovenstaande afbeeldingen. Voor de weergave kunt u een elektrische decoupeerzaag gebruiken of een freesmachine als u nauwkeuriger wilt zijn. Nadat alle gaten zijn gesneden en geboord, kunt u de stukken hout rechtop aan de zijkanten van het paneel lijmen! Let er ook op dat je solenoïde nog past in de ruimte die overblijft. Wanneer alles is gelijmd, neemt u de exacte afmetingen en snijdt u nog een paneel hout op deze afmetingen. Je zult het al aan de onderkant van de houten afstandhouders willen schroeven, zodat je de hoeken gelijk kunt afsnijden met de hoek van het paneel waarmee je bent begonnen.

Nu moeten we de knoppen voor de druksensor en de actieknop maken. We willen de eigenlijke knop voor de gebruiker verbergen, dus we zullen ze onder het deksel monteren, in het elektronicacompartiment. Ik heb eenvoudig een paar kleine stukjes hout uit het overgebleven triplex gesneden om als afstandhouders te dienen. Soldeer de drukknop op een printje en schroef deze vast op de stukken hout die aan de onderkant van het deksel zijn gelijmd, waarbij de knop precies in het midden van het gat naar buiten komt. De druksensor is een beetje anders. Gebruik hiervoor ook twee afstandsstukken die op het deksel zijn gelijmd, maar neem een derde stuk om een brug over het gat te maken. Lijm de sensor precies in het midden van het gat.

Om de knoppen via het deksel te bedienen, zou het ideaal zijn om iets te 3d-printen. Helaas had ik hier geen tijd voor, dus improviseerde ik. Je kunt doen wat je wilt, maar een tip hierbij is dat je iets nodig hebt om te voorkomen dat de knop er aan beide kanten uit valt. Ik gebruikte ingekorte bouten met een moer in tweeën gesneden aan het ene uiteinde en ik bedekte het met iets dat ik rondslingerde.

Het volgende dat moet worden gemonteerd, is de solenoïde. Elke solenoïde is iets anders, maar de eenvoudigste manier om de meeste solenoïdes te monteren, is door hout tussen de steen en het deksel te leggen totdat het precies achter het frame glijdt, maar ook ver genoeg naar achteren om het hout niet te raken wanneer het wordt uitgeschoven. Bij mij was dit 6 mm. Daarna moest ik later weer wat staal wegslijpen omdat het uiteindelijk nog niet ver genoeg naar beneden was. Ik had waarschijnlijk ongeveer 7 of 8 mm moeten hebben.

Het deksel is nu grotendeels klaar en alleen de elektronica moet nog worden toegevoegd. Dit is het juiste moment om eerst de deksel op het frame te bevestigen. Probeer een paar kleine scharnieren te krijgen bij een plaatselijke winkel, deze mogen niet groter zijn dan de stalen buis (~18 mm)! Afhankelijk van de grootte en kwaliteit van deze scharnieren, kunt u er twee of drie gebruiken. Markeer hun positie op het frame en op het deksel. Pak nu een extra paar handen die het deksel op zijn plaats houden terwijl je markeert waar gaten moeten worden geboord. De gaten in de stalen buis moeten worden voorzien van schroefdraad, zodat u gewoon een bout kunt indraaien zonder dat u zich zorgen hoeft te maken over hoe u deze moet bevestigen. Als de scharnieren aan het frame zijn bevestigd, pak dan die extra handen terug en schroef het deksel op de scharnieren met enkele kleine schroeven. Omdat je later weer aan het deksel moet werken kun je ook met deze stap wachten tot alles klaar is.

Nu zijn we klaar om aan de elektronica te werken!

Stap 4: De elektronica

Het circuit bestaat uit vijf afzonderlijke circuits. De meeste hiervan zijn vrij eenvoudig: een eenvoudige led met een weerstand of een drukknop aangesloten op een Arduino-pin. De twee meer gecompliceerde circuits zijn degenen die het display en de solenoïdevergrendeling aandrijven.

Het display heeft 15 afzonderlijke pinnen die moeten worden aangedreven. Een eenvoudige Arduino kan maximaal 19 pinnen aansturen. Ik had nog 5 pinnen nodig voor de rest van het ontwerp, dus ik kwam te kort. Ik vond de oplossing in het gebruik van een I2C-aangedreven I/O-expander, de MCP23017. In combinatie met de Adafruit-bibliotheek voor dit apparaat is het heel eenvoudig te gebruiken. Het deel van het circuit dat is aangesloten op pin GPA0 wordt gebruikt om te wisselen tussen de twee gemeenschappelijke anodes van het HDSP-A22C-scherm. Als het hoog is, stuurt het karakter 1 aan en wanneer het laag is, stuurt het karakter 2. Het nadeel van het gebruik van deze uitbreiding is dat het naar de uitvoerpinnen schrijft zodra een byte wordt geschreven. Dit veroorzaakte ghosting. Helaas kon ik dit niet met hardware oplossen, dus gebruikte ik software om het probleem te omzeilen.

Omdat de solenoïde die ik heb gebruikt wordt aangedreven door 12V (waarvoor je gewoon elke 12V-voeding kunt gebruiken, deze in de Arduino steekt en er een draad aan soldeert), had ik een versterkerschakeling (Darlington) nodig om hem met een Arduino-pin aan te sturen. Vergeet ook een diode niet om de piekstromen van de elektromagneten in de solenoïde te dempen!

Houd bij het solderen van de schakelingen rekening met de plaats waar u ze gaat plaatsen. Ik hield een kleine rand rond al mijn planken, zodat ik ze op wat afstandsstukken (resten van de zijpanelen) kon schroeven die op het deksel waren gelijmd. Voor de LED's kun je een draad met een weerstand rechtstreeks op de LED solderen en krimpkousen gebruiken om het te bedekken en ervoor te zorgen dat het niet breekt. Gebruik hete lijm om te voorkomen dat alle draden die rechtstreeks op een bord zijn gesoldeerd, afbreken.

Nadat alles is gesoldeerd, is het tijd om alles aan te sluiten! Ik heb wel wat vrouwelijke headers gekregen om de 5V- en GND-rails uit te breiden, zodat ik niet alles aan elkaar hoef te solderen en dus gemakkelijk iets kan loskoppelen of vervangen als het kapot gaat. Als je een soortgelijk stuk hout voor de zijkanten van het deksel hebt gebruikt als ik, zul je merken dat er geen ruimte meer is om iets op de Arduino aan te sluiten. De eenvoudigste oplossing hiervoor is om de pinnen gewoon in een hoek van 90 graden te buigen en ze op die manier aan te sluiten.

Het laatste deel is het eenvoudigst en dat is het uploaden van de code.

Stap 5: De code

Alle code is gemaakt met PlatformIO. Als u hier niet bekend mee bent, kunt u het eenvoudig kopiëren en in een Arduino-schets plakken. Als dat zo is, kunt u het programma gewoon downloaden en uploaden naar uw Arduino. De code is te vinden op mijn Github. Kijk eens rond in de programmaconfiguratiesectie en verander de waarden naar eigen inzicht (vooral interessant zijn de pinnen en de combinatie). De standaardcombinatie is 43 - 50 - 99.

Stap 6: finishing touch

Nadat alles is gedaan en gemonteerd en begint te werken, zijn we klaar om de laatste details toe te voegen die ervoor zorgen dat alles werkt.

Om te voorkomen dat de deksel door het frame valt, kunt u aan de zijkant van de deksel twee blokkeerplaten monteren. Ik gebruikte een stalen staaf van 25x4mm die ik vond, sneed deze in stukken van ongeveer 8 cm, boorde er gaten in en schroefde ze op het deksel.

Een ander ding dat ik aan het deksel heb toegevoegd, was een handvat - best handig als je het ooit wilt openen. Ik moest diep in de zijkanten van het deksel boren om het te monteren, maar het zag er geweldig uit.

Een ander belangrijk detail is het toevoegen van een klein akkoord om te voorkomen dat het deksel te ver naar achteren valt en de scharnieren beschadigt. Mijn oplossing was om schroefhaken te gebruiken op het deksel en aan de binnenkant van de kist waar ik een koord kon bevestigen.

Om stroom in het deksel te krijgen, boort u een klein gaatje in een van de randen en zaagt u het van bovenaf uit. Steek een schroef in een andere rand en bind het koord om de schroef om te voorkomen dat iemand per ongeluk het stroomkoord eruit trekt en je voor altijd uit de borst blokkeert.

Ten slotte is het je misschien opgevallen dat je het deksel nog niet echt kunt sluiten. Dit komt omdat er noten in de weg zitten. Snijd hier gewoon een klein beetje hout weg om ruimte te maken voor deze noten.

En dat is het! Zo kun je zelf de digitale schatkist reproduceren! En vergeet niet om de juiste beschermende kleding te dragen bij het gebruik van gevaarlijk elektrisch gereedschap!