Introducere

În lumea prototipurilor electronice, funcționalitatea este esențială, dar aspectul contează la fel de mult. O carcasă bine gândită poate transforma un circuit simplu într-un produs care inspiră profesionalism și atenție la detalii. Pornind de la proiectul nostru cu 4 LED-uri și 4 butoane (plus un difuzor și un afișaj cu patru digiți) — o platformă flexibilă ce permite nenumărate idei și aplicații — realizarea unei carcase tipărite 3D vine ca un pas firesc spre prezentarea impecabilă a rezultatului final.

De ce să alegi o carcasă realizată cu imprimanta 3D?

Accesul la o imprimantă 3D deschide oportunități nelimitate în personalizarea designului. Poți crea o cutie ergonomică, atractivă și perfect adaptată componentelor folosite, eliminând improvizațiile clasice. Designul devine o extensie a funcționalității, iar prezentarea proiectului – fie într-un context educațional, fie profesional – capătă greutate și stil.

Materiale necesare:

• De această dată, vom alege un alt model de placă Arduino, mai compact și potrivit pentru integrarea în carcasa pe care ne propunem să o realizăm. Arduino Nano – sau un model echivalent – oferă dimensiuni reduse, o dispunere eficientă a pinilor și compatibilitate deplină cu majoritatea bibliotecilor și proiectelor Arduino. Este alegerea ideală pentru prototipuri care necesită un design ergonomic și ușor de prezentat. 

• Alegerea unei plăci de expansiune (shield) pentru Arduino Nano este o mișcare inteligentă atunci când dorești o organizare clară, flexibilitate în conectare și un aspect profesional al proiectului și vom utiliza si noi unul. Principalul motiv al alegerii utilizării unui shield este însă stabilitatea mecanică – utilizarea sa evită firele slăbite sau deconectările accidentale.

• 4 LED-uri, de preferat de 5mm, care să emită lumină de culori diferite – roșu, galben, verde și albastru

• Pentru acest proiect, veți avea nevoie de patru întrerupătoare cu revenire, normal deschise. În general, diametrul standard este de 22 mm – dimensiune des utilizată în domeniul industrial, ceea ce înseamnă că ar trebui să fie ușor de găsit (totuși, cele pe care le-am utilizat de data aceasta, au avut un diametru de aproximativ 30mm). Este important ca partea superioară a fiecărui buton, adică zona de apăsare, să aibă culori diferite și să fie transparentă, astfel încât să poată fi montate LED-uri în interior, pentru iluminare. Ideal ar fi ca butoanele să vină deja echipate cu LED-uri integrate, pentru a evita modificarea manuală. În cazul meu, pentru acest proiect, am folosit butoane care nu aveau sistem de iluminare inclus în carcasă, așa că am perforat partea superioară a fiecărui buton și am montat câte un LED în interior însă avantajul acestui model este că mecanismul de apăsare activează un limitator de cursă – componentă fiabilă, mai ales într-un joc care presupune un număr mare de apăsări succesive. Timpul de reacție al butonului meu este bun, dar nu ideal: apăsarea necesită o deplasare fizică de aproximativ 1 cm, ceea ce face dificilă atingerea unor timpi de reacție foarte mici (de exemplu, sub 50 ms, poate chiar și sub 100ms). În concluzie, identificarea unui buton cu reacție instantanee rămâne adevărata provocare...

• un afișaj cu șapte segmente, cu 4 digiți, controlat de circuit integrat TM1637

• un difuzor 

• Conductor cu secțiunea între 0,1 mm² și 0,35 mm² – nu vom avea un consum prea mare de energie electrică și spațiu destul de limitat în carcasă, ceea ce înseamnă că încercăm să utilizăm un conductor cu o secțiune cât mai mică. Conectori DuPont mamă sau fire de legătură care să aibă la capete conectori DuPont mamă.

• un conector de alimentare pe care să îl putem fixa pe carcasă și unul tată, 2.1.x5.5mm, pentru a alimenta shied-ul (vom utiliza acești conectori pentru a construi un cablul utilizabil pentru a alimenta dispozitivul Arduino)

• un cablu scurt de adaptare, USB-A mamă- USB mini tată (vom utiliza acest conector pentru a putea programa dispozitivul Arduino și după ce l-am fixat în carcasă)

• letcon și fludor - pe care le vom utiliza pentru a cositori firele de legătură

• tub termocontractabil – utilizat pentru izolarea conductoarelor în zonele dezizolate, acolo unde se realizează îmbinarea, asigurând protecție electrică și mecanică suplimentară.

• Pistol de lipit compatibil cu batoane PVC, împreună cu batoanele corespunzătoare, va fi utilizat pentru fixarea plăcii Arduino Nano, a plăcii de expansiune și a conectorilor în interiorul carcasei. Această metodă de prindere asigură o stabilitate mecanică ridicată, eliminând riscul desprinderii componentelor chiar și în cazul unui impact accidental, cum ar fi o cădere pe podea.

• Pentru fixarea sigură a carcasei, veți avea nevoie de 4 șuruburi M4 cu lungimea de 10 mm (sau ușor mai lungi). 

Modelul 3D

Carcasa este concepută astfel încât accesul la butoane să fie cât se poate de comod. Am decupat două zone: una pentru conectorul de alimentare și cealaltă pentru un conector USB-A mamă, care va permite accesul la placa Arduino, astfel încât să o putem reprograma atunci când este necesar.

În partea superioară, pe capac, pot fi instalate butoane care au filet de 22 mm sau 30 mm. Dacă aveți un buton cu diametru mai mare, este foarte simplu să modificați modelul din fișierul .stl utilizând aplicații gratuite, precum Tinkercad, de exemplu.

Tot pe capac va fi instalat și afișajul cu patru digiți, controlat de circuitul integrat TM1637, care va trebui fixat cu batoane PVC, la fel ca difuzorul, ce trebuie și el lipit ferm pentru a evita deplasarea.

Puteți descărca fisierul .stl pentru capacul carcasei si butoane de 22mm de aici. 

Puteți descărca fisierul .stl pentru capacul carcasei si butoane de 30mm de aici. 

Puteți descărca fisierul .stl pentru partea inferioară a carcasei de aici. 

Schema electrică
 

Dacă ați realizat deja montajul pe breadboard, știți ce conexiuni este necesar să realizati. Totuși, am să reiau lista conexiunilor electrice necesare:

• Terminalul 1 al butonului roșu → Pin D12 Arduino

• Terminalul 2 al butonului roșu → GND Arduino

• Pinul D7 Arduino → Terminalul 1 al rezistorului R1 (asociat LED-ului roșu)

• Terminalul 2 al rezistorului R1 → Terminalul pozitiv (+) al LED-ului roșu

• Terminalul negativ (−) al LED-ului roșu → GND Arduino

• Terminalul 1 al butonului galben → Pin D6 Arduino

• Terminalul 2 al butonului galben → GND Arduino

• Pinul D10 Arduino → Terminalul 1 al rezistorului R2 (asociat LED-ului galben)

• Terminalul 2 al rezistorului R2 → Terminalul pozitiv (+) al LED-ului galben

• Terminalul negativ (−) al LED-ului galben → GND Arduino

• Terminalul 1 al butonului verde → Pin D8 Arduino

• Terminalul 2 al butonului verde → GND Arduino

• Pinul D4 Arduino → Terminalul 1 al rezistorului R3 (asociat LED-ului verde)

• Terminalul 2 al rezistorului R3 → Terminalul pozitiv (+) al LED-ului verde

• Terminalul negativ (−) al LED-ului verde → GND Arduino

• Terminalul 1 al butonului albastru → Pin D9 Arduino

• Terminalul 2 al butonului albastru → GND Arduino

• Pinul D5 Arduino → Terminalul 1 al rezistorului R4 (asociat LED-ului albastru)

• Terminalul 2 al rezistorului R4 → Terminalul pozitiv (+) al LED-ului albastru

• Terminalul negativ (−) al LED-ului albastru → GND Arduino

• Terminalul pozitiv (+) al difuzorului → Pin D12 Arduino

• Terminalul negativ (−) al difuzorului → GND Arduino

• Terminalul 1 al afișajului (CLK) → Pin D3 Arduino

• Terminalul 2 al afișajului (DIO) → Pin D2 Arduino

• Terminalul 3 al afișajului (GND) → GND Arduino

• Terminalul 4 al afișajului (5V) → Pin 5V Arduino

Pentru a preveni orice contact nedorit între zonele dezizolate ale conductorilor, vă recomandăm să utilizați tub termocontractabil. Acesta asigură izolarea eficientă a îmbinărilor și elimină riscul apariției unui scurtcircuit — mai ales în situații în care firele sunt răsucite, iar pinii LED-urilor pot intra accidental în contact între ei.

Este important să verificați conectarea corectă a tuturor pinilor de masă. Shield-ul pe care vi l-am recomandat oferă câte un pin GND (marcat G, de la ground) și un pin de alimentare 5V (marcat V, de la voltage) pentru fiecare canal analogic sau digital, marcat S (signal). Acest sistem facilitează o organizare clară și un montaj ordonat.

După ce toate conexiunile sunt realizate și funcționarea dispozitivului a fost verificată, puteți trece la fixarea componentelor în carcasă folosind batoane PVC și pistolul de lipit pentru batoane PVC. Puteți utiliza acest adeziv si pentru a vă asigura că pinii nu se vor desprinde de pe shield.

Pentru cei care nu dispun de o imprimantă 3D, o cutie standard din ABS rămâne o alegere interesantă, dar ceva mai dificil de realizat, deoarece veți avea nevoie de o carotă pentru a decupa orificiile în care vor fi instalate butoanele, iar pentru partea în care urmează a fi fixat afișajul cu patru digiți, situația este și mai complicată, fiind necesar să decupați o secțiune dreptunghiulară. Însă, cu accesoriile adecvate, și o altfel de carcasă poate fi o soluție elegantă pentru proiectul vostru. Eu am încercat și această variantă, însă a fost o combinație între piese realizate cu ajutorul imprimantei 3D și o cutie standard.