Zagadkowe pudełko na prezent

Święta, święta … I po świętach. Korzystając z chwili wolnego czasu, chciałbym zaprezentować nietypowy prezent, który budowałem od kilku miesięcy :)

Jest to pudełko, które można otworzyć tylko przechodząc kilka poziomów “zagadek logicznych”, aby dostać się do wnętrza. Tam z kolei jest zapakowany zegar na lampie nixie, który, jeśli chcecie, mogę opisać kiedy indziej :)

Założenia konstrukcyjne

ale to dumnie brzmi :D

• Z elektroniką, lampkami, czy coś w ten deseń
• Bez żadnego mikrokontrolera
• Energooszczędne
• Zasilane z baterii, wysysające z nich całą energię (nie połowę jak myszki bezprzewodowe czy inne bajery)
• Z drewna
• Wykorzystujący część “przydasi” leżących w szufladzie

Przygotowanie obudowy

A więc jako że miało być z drewna, padło na jedno z gotowych pudełek, jakie można kupić w sklepach z artykułami do decoupage. Musiałem jednak odrobinę przerobić zawiasy (tak, by śrubami mocującymi były do wewnątrz) ponieważ osoba, która dostanie ten prezent ma skłonności do ułatwiania sobie życia i otwierania takich rzeczy przez wyciąganie sworzni z zawiasów, odkręcanie zamków itd. Nie było to takie trudne, wystarczyło jedynie odpowiednio naciąć bok pudełka, by zawiasy mogły się schować, następnie zakitować i zeszlifować dziury po śrubach.

Dodatkowo, aby nie dało się przesunąć zapadki zamka jakimś cienkim przedmiotem (np. nożem), przykleiłem długi pasek ze sklejki 4mm od wewnątrz.

Zagadki – w końcu to rzecz najważniejsza !

Aby dostać się do wnętrza, trzeba przejść 3 etapy:

Pierwszy – zasilanie

Najpierw trzeba uruchomić zasilanie całej tej elektronicznej zagadki – tego dokonuje się poprzez zwarcie palcem dwóch srebrnych punktów. Spowoduje to włączenie czerwonej kontrolki i da możliwość przejścia dalej.

Drugi – labirynt

Tutaj trzeba umożliwić “prądowi” przedostanie się i zapalenie kolejnej kontrolki, łącząc palcami przerwy w przewodach. Do tego wystarczą jedynie 3 palce :)

Trzeci – namiastka RFID

Dalej ścieżka prowadzi do pola na boku obudowy – tam idealnie pasuje drewniana ramka z wypaloną przy okazji wskazówką do poprzednich etapów.

You are the conductor. – Ty jesteś przewodnikiem.

Oczywiście po przyłożeniu jej jeszcze nic się nie stanie – na rewersie ramki został wypalony wzór, dokładnie taki sam, jak na wytrawionym laminacie, który dałem tej osobie rok temu. Na boku ramki jest szczelina, w którą trzeba włożyć tą “kartę”. Po jej umieszczeniu, okienko po drugiej stroni zmienia kolor z czerwonego na zielony. Dopiero wtedy karty da się użyć. Dale pozostaje jedynie zwarcie palcem ostatnich dwóch punktów i otwarcie klapy.

Elektrozamek

Oczywiście jakoś to pudełko po przejściu zagadek trzeba otworzyć – użyłem zamka wyzwalanego elektrycznie. Główną częścią jest elektromagnes – ok. 7 metrów drutu DNE 0,3mm ze starego silnika, nawinięte na śrubę M5. On, po podaniu napięcia, przyciąga zapadkę z blaszki stalowej, zaczepionej z jednej strony na osi z kawałka szprychy rowerowej. Aby po odłączeniu zasilania blokada powróciła na miejsce i zatrzasnęła się po zamknięciu skrzynki, zamocowałem tam małą sprężynę. Cały mechanizm jest umieszczony w klapie, do ścianki pudełka przykleiłem odpowiednio nacięty bloczek ze sklejki 10mm.

Zasilanie elektrozamka

Dość trudnym orzechem do zgryzienia było zasilanie zamka – potrzebuje on minimum 4V by przyciągnąć zapadkę i tym samym zwolnić blokadę. Jako zasilanie całości użyłem trzech popularnych “paluszków” AA (LR6). A więc przy pełnym naładowaniu mają one 4,5V (ok) ale jeśli tylko się odrobinę wyczerpią (do 1,3V na ogniwo) to już skrzynka się nie otworzy. Ale tutaj wykorzystałem pewien trik – napięcie podtrzymania rygla może być już dużo mniejsze – nawet  1,5V ! A więc zamek potrzebuje właściwie tylko “strzała” napięciowego na początku. Wykorzystałem do tego małą przetwornicę step-up, dostarczającą 5V do naładowania baterii kondensatorów o znacznej pojemności (wyciągnięte z płyty głównej 1500µF na 16V, łączna pojemność “pakietu” wynosi zatem 4500µF). Aby tak nie sterczały z PCB albo nie zwisały smętnie na kablach, zrobiłem ze sklejki coś na kształt “dybów”.

A po zamontowaniu wygląda to tak :

Dzięki temu elektrozamek bez problemu otwiera się nawet przy 2V (co daje 0,6V na ogniwo w potrójnym koszyczku).

Elektronika

Jako że ostatnio mamy wysyp zegarków z termometrem i miernikiem wilgotności (no bo w końcu konkurs) to postanowiłem, że tutaj nie będzie żadnego procesora. To tylko kilka warunków.
Do kontroli zasilania wykorzystałem licznik dekadowy HCF4017 – reset jest podłączony do pinu 2, a steruje się zwierając palcem pin zegarowy do vcc. Po dotknięciu jeden raz przełącza się z pinu zerowego na pierwszy (i włącza zasilanie przez mosfeta). Po ponownym – przeskakuje dalej, na dwójkę. Jednak to skutkuje zresetowaniem się licznika i przeskokiem z powrotem na zerowy. Co ciekawe, HCF mimo stałego podłączenia do zasilania, w stanie “wyłączonym” nie pobiera żadnego prądu.

Oczywiście aby nie było losowych przełączeń spowodowanych zakłóceniami, indukcją elektromagnetyczną itd. zastosowałem rezystor 5MΩ oraz kondensator 47nF na wejściu punktu dotykowego.

Dalej wszystko jest zrealizowane na bramkach AND (wykorzystałem układ 74HC08, który ma w sobie cztery, dwuwejściowe).

Bramka 1 – do niej podłączony jest labirynt. Użyłem obu wejść aby nie było możliwości “przeskoczenia” przez połączenie pierwszego i ostatniego punktu (przy kontrolkach). Pomiędzy wejściami i wyjściem są diody, dzięki czemu układ “zatrzaskuje się”. Tutaj również nie mogło zabraknąć rezystorów 2,2MΩ. Kolejna bramka obsługuje czujnik przyłożenia karty (zostanie jeszcze dokładniej opisany później) oraz ostatni punkt dotykowy. Układ nr.3 służy jako “sumator” i steruje elektromagnesem. Jedno z wejść (od bramki z czujnikiem dotykowym) jest podłączone przez kondensator 100µF, dzięki czemu elektrozamek i tak wyłącza się po 5 sekundach, nawet, jeśli użytkownik nie puści przycisku.

Poniżej dodatkowo uproszczony schemat:

Elektronikę celowo zostawiłem na wierzchu, całkiem ładnie wygląda :D Jedynie baterie okleiłem papierem, ponieważ w ogóle nie pasowały kolorystyką.

Płytka PCB zrobiona klasycznie, za pomocą termotransferu żelazkiem :D Później została dodatkowo pocynowana przy użyciu kalafonii i plecionki.

Problemy

Przy pierwszym uruchomieniu jak zwykle napotkałem szereg problemów.

1.Znów zasilanie …

Jako że wydajność prądowa wyjść HCF4017 jest bardzo mała, sterowanie zwykłymi tranzystorami bipolarnymi odpadało – wykorzystałem zatem scalaka P07D03LV, wylutowanego ze starej płyty głównej. Jest to podwójny n-mosfet w obudowie SO-8. Dzięki temu mogłem upiec dwie pieczenie na jednym ogniu i sterować przy pomocy jednego układu zasilaniem całości oraz elektrozamkiem. W końcu prąd drenu wynosi 7A (aż nadto) a napięcie progowe bramki 1V ! Jednak w diabeł tkwi w szczegółach … Przy niskim napięciu zasilania (2V) wszystko działało do momentu włączenia elektromagnesu – wtedy napięcie natychmiastowo przysiadało. Długo się nad tym głowiłem, sprawdzałem na innych tranzystorach – bez skutku. Co ciekawe, po podwyższeniu napięcia zasilania do ok. 3V wszystko wracało do normy. Po spojrzeniu na wykresy w nocie katalogowej wszystko się wyjaśniło …
Otóż swoją nominalną wydajność prądową mosfet uzyskuje dopiero przy Ugs rzędu 2,7-3V ! Musiałem zatem dorobić małą płytkę PCB z dwoma mosfetami IRLML2502 (w obudowach SOT-23). Były to takie o najmniejszym Ugs(thr) jakie znalazłem w czeluściach szuflady. Co prawda ich maksymalny prąd drenu jest dużo niższy (4,2A) ale to i tak prawie 6 razy więcej niż wymagane. Spójrzmy na wykres :Tutaj do pełnego otwarcia wystarczą 2V. Dzięki temu układ zadziała nawet przy bardzo małym napięciu na bateriach

2.Układ zatrzasku

Tutaj pojawił się problem ściągania sygnału do masy – gdy testowałem wszystko na płytce stykowej, użyłem innego układu (MN4081), innych diod (schottky) i wszystko działało. Jednakże pierwsze uruchomienie na wytrawionym PCB przyniosło nieoczekiwane rezultaty – labirynt odpalał się od razu. Pomogło przylutowanie rezystorów 2,2MΩ do masy (również umieściłem je na osobnym PCB, obok mosfetów).

3.Pojemności

Jak tylko uporałem się z poprzednim problemem, pojawił się kolejny – gdy po przejściu labiryntu odcina się zasilanie, a następnie szybko włącza z powrotem, układ zatrzasku nie kasuje się należycie. Było to prawdopodobnie spowodowane pojemnościami pasożytniczymi, w momencie podania napięcia, układ się zatrzaskiwał. Gdy uruchomiło się go ponownie po jakimś czasie (np. po minucie) wszystko było ok. Tutaj pomogło dodanie rezystora R4 10kΩ  rozładowującego do masy.

Karta “RFID”

Tutaj dość długo głowiłem się, jak by to zrobić … Na początku wpadł mi do głowy pomysł wykrywania jej przez indukcję, podobnie, jak w bramkach sklepowych, piszczących po wejściu w rezonans z układem LC umieszczonym w plakietce na produkcie. Jednakże to byłoby zbyt skomplikowane. W końcu stanęło na zwykły kontaktron i magnes umieszczony w drewnianej ramce opisywanej wcześniej. Przewody i sam czujnik umieściłem w wyfrezowanym Dremelem rowku, następnie zakitowałem. Kabelek wychodzi jedynie przy zawiasie :)

W ramce na kartę jest mała dźwignia ze sprężyną i magnesem. Normalnie bez włożonej płytki jest on zbyt daleko i ma za małą siłę, by zewrzeć styki kontaktronu. Jednakże po wsunięciu laminatu zostaje on przyciśnięty, aktywując czytnik. Podstawa ramki została wykonana ze sklejki 7mm, z wyfrezowaną szczeliną, przykrywka z kawałka o grubości 4mm.

Wzory na skrzynce

Aby na skrzynce określony wzór, najpierw przygotowałem go na komputerze, później wydrukowałem i odcisnąłem w miękkim drewnie przy pomocy śrubokrętu. Dale wystarczyło poprawić wzorek lutownicą. Punkty dotykowe to nic innego jak malutkie gwoździki powbijane w wieczko i ucięte po drugiej stronie :)

Detale

Na końcu do zrobienia pozostało jedynie zamontowanie zegara na czas transportu – do tego celu wyciąłem dwuczęściową ramkę ze sklejki 3mm. Główna jego część jest przytrzymywana przez dwa sznurki, lampa ИH-12A siateczką z czerwonej nitki rozpiętą między gwoździkami. Pod nią dodatkowo znajduje sie kawałek grubej gąbki, tłumiący drgania.

Sklejka została zabezpieczona dodatkowymi klinami wciśniętymi w rowki na bokach skrzynki i blaszkami w kształcie litery U na łączeniu, dzięki czemu nic nie wypadnie :D Na dnie, pod zegarem włożyłem stylową instrukcję, wydrukowaną na grubym, żółtym papierze i postarzoną przy użyciu hotair’a nastawionego na 450°C.

Dziękuję wszystkim, którzy dobrnęli do końca, a teraz zapraszam do obejrzenia filmu.

Do zobaczenia :D

PS

Przy okazji w wieczku wypaliłem sobie numer, który postaram się jakoś wykorzystać w przyszłym prezencie :)