Beskorisna kutija (useless box)

Karakter u kutiji

Uvod

Useless box je legendarni mali projekt iz elektronike: kutija koja svaki put kad je uključite – sama sebe isključi. Iako je šala jednostavna, iza nje stoji kombinacija mehanike, elektronike i programiranja.

U ovom projektu učenici koriste Arduino i SG90 servo motor(e) kako bi napravili kutiju koja otvara poklopac, gurne prekidač i vrati se u skriveni položaj. Uz usputnu zabavu vježbaju rad s PWM signalom, analiziraju kako servo vuče struju pod opterećenjem i zašto je kvalitetno napajanje jednako važno kao i sam program.

Cilj projekta

• Objasniti kako Arduino čita stanje prekidača i na temelju toga pokreće servo.
• Opisati koliko napona i struje treba SG90 servo za pouzdan rad u kutiji.
• Prepoznati razliku između mirnog položaja i opterećenog stanja serva kad gura prekidač i poklopac.
• Uočiti tipične probleme: trzanje, nedostatak momenta, slab izvor napajanja, neugodno zujanje i nestabilnost.

Istraživanje i analiza

Zadatak 1: Analiza funkcije i blok dijagrama

• Nacrtaj blok dijagram sklopa:
  prekidač ⇒ Arduino ulaz ⇒ program ⇒ PWM izlaz ⇒ SG90 servo ⇒ mehanička poluga/poklopac.
• Izričito označi da servo ima svoj 5 V i masu, koja je zajednička s Arduinom.
• U jednoj rečenici opiši što se dogodi kad korisnik uključi prekidač.

Zadatak 2: Analiza napajanja i struje

• Polazeći od SG90 specifikacija (4.8–6 V, tipično nekoliko stotina mA pri opterećenju), procijeni zašto nije dobra ideja napajati servo direktno s 5 V pina Arduina, osobito ako se koristi USB ili slabiji izvor.
• Izradi tablicu procijenjenih struja:
  • servo u mirovanju (držanje park pozicije),
  • servo pri polaganom izlasku,
  • servo pri naglom guranju prekidača (veće opterećenje).
• Diskutiraj koliko struje treba planirati za jedan SG90 u ovakvom projektu (recimo 0.5–1 A rezerve na 5 V napajanju), i zašto je to i dalje malo, ali bitno sigurnije od napajanja samo preko Arduina.

Zadatak 3: Mehaničko opterećenje i moment

• Identificiraj sve što servo motor mora savladati.
• Procijeni kojim redoslijedom su ti otpori, što je najteže za servo i u kojem trenutku vjerojatno troši najviše struje.
• Razmisli i objasni što se može dogoditi ako je ručica predugačka ili je kutijica teža nego što je SG90 voli.

Zadatak 4: Analiza stabilnosti i rubnih slučajeva (edge-cases)

• Navedi situacije u kojima se box može početi ponašati čudno.
• Razmisli i diskutiraj o uzrocima čudnog ponašanja.

Eksperimenti

Eksperiment 1: Servo na Arduinu vs. servo na vanjskom 5 V

• Prvo napajaj servo motor direktno s 5 V pina Arduina (uz nadzor i kratkotrajno korištenje), te promatraj ponašanje pri brzim pokretima ručice.
• Prebaci servo motor na odvojeno 5 V napajanje (baterijski paket ili adapter) s zajedničkom masom.
• Zabilježi razlike u trzajima, brzini, zvuku i eventualnom resetiranju Arduina.
• Zapiši zaključak.

Eksperiment 2: Različite osobnosti kutije

• Preuzmi ili napišii više Arduino rutina za useless box (brzo otvaranje, sporo sramežljivo otvaranje, odgađanje, dvostruko gašenje prekidača, itd.). Primjeri takvih projekata s više različitih ponašanja postoje i uključuju dodatne nasumične sekvence.
• Promotri koriste li sekvence različite brzine i kuteve serva te kako to utječe na trajanje gibanja, količinu buke i prividnu osobnost stroja.
• Zapiši zaključak.

Eksperiment 3: Šum na ulazu prekidača

• Učitaj verziju kôda bez INPUT_PULLUP i s lebdećim ulazom prekidača.
• Zatim učitaj verziju s INPUT_PULLUP i ispravnim spajanjem prekidača na masu.
• Promotro koliko se kaotično uređaj ponaša u prvoj verziji (lažna aktiviranja, nasumično pokretanje) u odnosu na drugu.
• Zapiši zaključak.

Pitanja

• Zašto useless box treba ozbiljno napajanje serva iako izgleda kao igračka?
• Kako položaj serva i duljina poluge utječu na snagu potrebnu za prebacivanje prekidača?
• Zašto je INPUT_PULLUP (ili vanjski otpornik) bitan za ulaz prekidača?
• Što bi se moralo promijeniti da isti koncept radi godinama, a ne samo na radionici?

Razgovaraj na Discord-u. (pridruži se)