Бесполезная коробка на ATmega328P

Последнее время у меня в блоге одни микроконтроллеры, программаторы и загрузчики. Надо бы отвлечься и написать о чем-то, что можно собрать своими руками. Думаю, "бесполезная коробка" отлично подойдет для этого: эта забавная поделка обязательно понравится и ребенку, и взрослому, а сделать ее под силу каждому.

Необходимые компоненты

Для сборки бесполезной коробки потребуются:

• Собственно коробочка. Ее можно сделать из дерева или фанеры.
• Микроконтроллер ATmega328P. Можно использовать и Ардуино, но она будет значительно быстрее сажать батарею.
• Тумблер.
• Два сервопривода. Я использую самые дешевые SG90.
• Батарейки/аккумулятор. Нам нужно 5-6 вольт.
• Полевой транзистор (у меня под рукой только IRF540, он вполне подходит).
• Сопротивление в несколько кОм, номинал особой роли не играет.

Прежде чем перейти к описанию изготовления бесполезной коробки я приведу несколько соображений, которых я придерживался. Во-первых, не хотелось бы устанавливать в такой игрушке дополнительный выключатель для управления ее питанием. То есть коробка должна быть всегда включена и готова к работе. Значит нужно позаботиться об энергосбережении в режиме ожидания. Поэтому желательно использовать именно отдельный микроконтроллер, а не Ардуино, так как он позволяет добиться значительного снижения энергопотребления. Я решил использовать ATmega328P с тактированием от внутреннего RC-генератора 8МГц. В режиме сна он потребляет менее 1мкА. Если вы планируете использовать Ардуино, то я бы порекомендовал Pro Mini 8MHz, из нее нужно выпаять светодиод-индикатор питания и запитать ее через пин 5V (в обход стабилизатора).

Если Ардуино / микроконтроллер можно перевести в режим энергосбережения, то картину портят сервоприводы: даже в режиме простоя они потребляют несколько миллиампер. Здесь-то и пригодится транзистор, с его помощью можно отключать питание сервоприводов пока микроконтроллер спит. Полевой транзистор удобен тем, что он управляется не током, а напряжением, потому весьма экономичен. Но, думаю, для этой задачи можно подобрать и биполярный транзистор.

Изготовление коробки

Для изготовления коробки подойдет фанера 6мм. Мне приятнее работать с деревом, поэтому я выстрогал дощечку указанной толщины из осины. Размеры коробки прикиньте сами, чтобы внутри уместились все компоненты. Главное требование: ширина коробки должна быть достаточной для размещения в ней сервопривода, чтобы его рычаг находился на одном уровне с тумблером, то есть посередине ширины коробки. Остальные размеры на ваше усмотрение.

Детали я выпилил на лобзиковом станке:

Детали для сборки бесполезной коробки

Рычаг, который выключает тумблер, я склеил из трех отдельных частей. Если делать его из фанеры, то он может быть и цельным. Чтобы определиться с размерами и формой рычага я установил тумблер в обрезке доски и приклеил к ней сервопривод на двусторонний скотч. Затем, соединив детали будущего рычага струбцинами, подобрал подходящую форму, чтобы он свободно поворачивался и доставал до тумблера:

Выбор подходящей формы для рычага

Готовый рычаг для выключения тумблера

Другой рычаг должен поднимать крышку, с его изготовлением нет ничего сложного. Можно было бы обойтись и пластиковым рычагом, что идет в комплекте с SG90, но он для этого коротковат.

Сами сервоприводы отлично держатся в коробке на двустороннем скотче.

Отдельно можно упомянуть о креплении рычагов к сервоприводам. К сервам хорошо подходят штатные пластиковые рычаги. Остается только соединить их с деревянными деталями. Я рассматривал разные варианты их соединения, в итоге остановился на следующем: в деревянной рейке просверлил отверстие для вала сервопривода и вырезал углубление по форме пластикового рычага. Вклеил в это углубление рычаг, сверху приклеил вторую рейку. Пластиковый рычаг оказался внутри деревянной "оправы". После высыхания клея я довел рычаг до ума на шлифовальном станке:

Петли для крышки я купил на Aliexress, у нас таких маленьких я не нашел. Чтобы крышка всегда была прикрыта, ее нужно подтянуть пружиной или резинкой:

Резинка удерживает крышку в закрытом состоянии

И, наконец, дно коробки я посадил на винты. Гайки под них установлены по углам коробки. Можно использовать вместо них маленькие гвозди, кому как нравится.

Дно коробки прикручивается винтами

Внутри игрушки

Схема и питание коробки

Нам нужно управлять работой двух сервоприводов и отслеживать состояние тумблера. Для этого подключим их к микроконтроллеру по следующей схеме:

Схема бесполезной коробки на ATmega328P

Как уже отмечалось, в моей коробке работает микроконтроллер ATmega328P. Я развел и вытравил под него плату (мои схема и разводка доступны в EasyEDA по ссылке: https://easyeda.com/VladimirTsibrov/uselessbox-on-atmega328p), сделал разъемы для подключения сервоприводов, питания и тумблера, а также вывел пины RX, TX и Reset. Подключившись к ним, можно заливать скетчи в микроконтроллер, не извлекая его из платы.

Эта же схема для тех, кто предпочитает Ардуино и схемы fritzing:

Схема для Ардуино

Отслеживать переключения тумблера удобно при помощи внешнего прерывания, поэтому он подключен к пину 2. Для управления сервоприводами нужны выводы, поддерживающие PWM, а для управления их питанием подойдет любой вывод. Я использовал пины 9, 10 и A5 для удобства разводки платы. Вы можете выбрать другие, внеся соответствующие изменения в скетч.

Для питания подойдут 4 "пальчиковые" батарейки. Учтите, что 6 вольт - это максимально допустимое напряжение для AVR микроконтроллеров, превышать его нельзя. А даташит и вовсе не рекомендует допускать длительную работу микроконтроллера при напряжении питания 6В. В режиме сна моя коробка потребляет около 0,2мкА. Я установил в нее щелочные батарейки, думаю, их хватит надолго.

Алгоритм работы и скетч

Алгоритм работы коробки можно описать примерно так:

1. В течение нескольких секунд ожидаем переключения тумблера. Дождавшись, переходим к пункту 4.

2. По истечении времени ожидания отключаем питание сервоприводов и переводим микроконтроллер в спящий режим.

3. Выход из спящего режима возможен по внешнему прерыванию. Таким образом при переключении тумблера микроконтроллер проснется, включит питание сервоприводов и мы снова окажемся на пункте 1.

4. Необходимо переключить тумблер.

4.1 Если микроконтроллер только что вышел из сна, то переключаем тумблер без эффектов. Так незнакомый с коробкой человек сразу поймет ее смысл. Возвращаемся к пункту 1.

4.2 Если это уже не первое переключение тумблера игроком после пробуждения микроконтроллера, то:

4.2.1 разнообразим поведение коробки эффектами (приоткрыть, похлопать крышкой и т.п.), после чего возвращаемся к пункту 4;

4.2.2 или переключим тумблер и вернемся к пункту 1.

5. Опять же чтобы разнообразить поведение коробки, после каждого переключения тумблера засекается время реакции игрока. Если игрок несколько раз подряд переключает тумблер за короткий промежуток времени, то рычаг не убирается, крышка не закрывается, а коробка переключает тумблер без эффектов. Это происходит до тех пор, пока игрок не сбавит темп.

Скетч, реализующий описанное поведение, можно скачать здесь. Разумеется, нужно будет самостоятельно подобрать позиции для сервоприводов и вписать их в скетч.

А вот и видео с получившейся игрушкой: