Natale 2025 – Cubo di neve animato - Parte 1

Come funziona il progetto

   Quando la seconda parte del progetto sarà completata e operativa, il treno viaggerà in una direzione mentre Babbo Natale viaggerà nella direzione opposta mentre nevica nel piccolo villaggio. Sullo sfondo del paesaggio è presente una matrice LED che visualizza il messaggio di congratulazioni. Se lo si desidera, è anche possibile visualizzare le immagini. Durante il funzionamento si alternano il suono del trenino, il suono dei campanelli delle renne di Babbo Natale e la musica natalizia. I file musicali possono essere personalizzati. In questo progetto sono stati caricati file privi di copyright.

   Per spostare sia il trenino che la slitta di Babbo Natale vengono utilizzati motori DC. Al motore che aziona il treno è stata accoppiata una ruota di 6 mm di spessore con bordo in gomma, che fa ruotare un anello di legno su cui è installato il treno. Per il movimento di Babbo Natale, è collegato un filo, a un'estremità del quale è attaccato Babbo Natale e l'altra estremità deve essere installata sull'asse del motore. Entrambi i motori sono alimentati e controllati dal modulo di controllo motore L298N. Per creare l'effetto neve sono stati utilizzati piccoli pezzetti di piumino poiché sono molto leggeri e possono essere facilmente spostati con un flusso d'aria minimo. Utilizziamo quattro ventole da 5 V CC per soffiare aria nella capsula. Questi motori sono alimentati tramite il modulo a 4 relè. Un modulo relè protegge il microcontrollore da sovraccarico e picchi di corrente all'avvio. Per i display luminosi viene utilizzata una matrice LED RGB 16x16. Modificando lo schizzo è possibile visualizzare anche le immagini. Per l'audio viene utilizzata una combinazione di lettore MP3, amplificatore e due altoparlanti. Per simulare l'illuminazione interna delle case del borgo vengono utilizzati 6 led bianchi da 3mm, ognuno dei quali va collegato ad una resistenza da 330 ohm per regolare la tensione di alimentazione. Il microcontrollore AZ-ATmega328 è stato utilizzato per controllare tutta l'elettronica.

 

Assemblaggio del progetto

   Le figure e la struttura sono state realizzate in legno di balsa spesso 3 millimetri, in quanto questo materiale permette tutte le modifiche alla struttura necessarie per correggere il progetto ed è inoltre molto leggero e maneggevole. Le dimensioni delle figure e della struttura di questo progetto sono indicative e possono essere adattate alle dimensioni desiderate.

   Per costruire il treno, due disegni di ogni carrozza e locomotiva sono stati incollati in legno di balsa e i loro contorni sono stati ritagliati. Per poter posizionare il treno sull'anello, si è deciso di incollare un filo tra le due parti di ogni figura del treno. Ciò è stato fatto raddrizzando una graffetta per attaccare le due parti della figura e facendo una tacca profonda 1 mm in ciascuna parte della figura in modo che il filo rimanesse al suo posto quando si incollavano insieme le due parti. Le dimensioni e il metodo di fabbricazione del treno possono essere visti nella foto qui sotto.

 

Figura 1 – Dimensioni e struttura del treno

 

   Si è già detto che alcune case del villaggio avranno l'illuminazione interna. A questo scopo in sei case verranno installati dei LED bianchi. Per costruire il villaggio si utilizza lo stesso metodo del treno: si disegnano le sagome delle case da incollare. ma prima si ritagliano i contorni, si creano le scanalature per l'installazione dei LED e dei cavi di collegamento e si praticano i fori per le finestre e le porte in modo che la luce dei LED passi attraverso la carta quando si incollano i contorni delle case. Le dimensioni delle case possono essere adattate liberamente.

 

Immagine 2 – Città

 

   Il metodo per costruire la figura di Babbo Natale è simile a quello del treno: i contorni della figura di Babbo Natale e della renna sono segnati, questa volta Babbo Natale e la renna sono collegati da due fili, che sono fissati in modo simile ai vagoni del treno. Il filo che collega Babbo Natale al motore che lo fa girare è fissato sul retro della slitta e poi piegato ad angolo retto per guidarla fino all'asse del motore.

 

Immagine 3 – Dimensioni di Babbo Natale

 

   Il metodo per costruire le figure dell'albero di Natale è simile ai precedenti: si segnano i contorni delle figure dell'albero di Natale e le figure si incollano. Puoi utilizzare due contorni e collegarli insieme oppure utilizzare semplicemente un contorno in legno e attaccare il disegno dell'albero di Natale su entrambi i lati.

Figura 4 – Alberi di Natale

 

   Per montare il treno sull'anello, nella zona centrale tra i due bordi degli anelli vengono realizzate le necessarie scanalature, per poter successivamente formare due angoli di 90 gradi sui cavi dei vagoni e della locomotiva ed installarli sugli anelli. Le immagini mostrano le dimensioni dell'anello, la forma data ai fili per incorporare la trazione nell'anello e lo stato finale dell'anello.

 

Figura 5 – Anello di trazione

 

   Per costruire la piattaforma su cui sorgerà il villaggio, viene ritagliato un cerchio, il cui diametro deve essere leggermente più grande del diametro interno dell'anello. Come si può vedere nelle immagini sottostanti, verranno realizzati dei fori per far passare i cavi di collegamento ai led che illumineranno l'interno delle case del villaggio, oltre a tre asole per inserire la parte superiore delle colonne che fisseranno la piattaforma del villaggio alla struttura del progetto. Queste colonne hanno la stessa altezza delle colonne esterne della scatola del progetto. All'interno della piattaforma sono posizionati 3 perni di legno in modo che siano all'interno dell'anello e abbiano uno spazio di circa 2 millimetri in modo che l'anello possa ruotare liberamente e servono da limite per l'eventuale spostamento laterale dell'anello.

 

Immagine 6 – Binario del treno urbano

 

   Per ospitare i ventilatori, gli abeti e il motore che farà girare l'anello del treno, si è pensato di realizzare un cubo con alla sommità un cerchio di diametro inferiore a quello esterno dell'anello, mantenendo così l'anello contenente il treno entro i limiti della banchina del villaggio e della banchina dei ventagli e degli abeti. Il treno viaggia attraverso lo spazio libero largo circa 4 millimetri. Questo progetto ha utilizzato colonne della stessa altezza delle colonne portanti della piattaforma del villaggio. Ce n'erano tre per lato (sui bordi  e al centro delle pagine). Il lettore può anche utilizzare colonne o piastre delle dimensioni richieste per coprirle. La figura seguente mostra le dimensioni di tutte le parti di questo componente.

 

Figura 7 – Piattaforma dei ventilatori

 

   Le immagini seguenti mostrano le fasi di montaggio della prima parte del progetto, che prevede l'installazione della piattaforma del villaggio, dell'anello di tiro e della piattaforma con i ventilatori e gli abeti. Come potete vedere nell'ultima foto, il tutto è stato dipinto con un pennarello bianco per simulare un paesaggio innevato.

 

Immagine 8 – Assemblaggio della prima parte del progetto

 

Descrizione di come funziona la prima parte del progetto e schizzo

   Per questa prima parte del progetto è stata installata l'elettronica di base per la movimentazione del trenino e di Babbo Natale, oltre all'illuminazione interna di alcune case, 6 case per la precisione. Il circuito elettronico è strutturato come segue:

 

Disegno 1 – Disegno del cubo di neve Parte 1

 

   Il circuito della prima parte del progetto ha il modulo di controllo motore L298N per controllare la velocità e il senso di rotazione dei due motori dell'insieme, uno dei quali è responsabile del movimento dell'anello con il treno e l'altro dello spostamento di Babbo Natale. Questo modulo è alimentato con due tensioni: l'elettronica di controllo del modulo è alimentata tramite l'uscita da 5 V CC del modulo microcontrollore e i motori sono alimentati tramite un alimentatore esterno da 5 volt. Bisogna fare attenzione a rimuovere il ponticello che disattiva il controller interno del modulo.

 

Figura 9 – Modulo L298N

   Sono presenti 6 LED bianchi da 3 millimetri che devono avere una resistenza da 330 ohm collegata al terminale positivo di ciascun LED. Questo resistore regola la tensione necessaria per alimentare il LED senza distruggerlo a causa di sovratensione. I LED saranno installati in 6 case come illuminazione interna.

   Ora verrà analizzato lo schizzo della prima parte. Per prima cosa occorre definire nello sketch i pin del microcontrollore a cui verranno collegati i contatti del modulo L298N che controlla ciascun motore. Per ciascun motore sono necessarie tre porte, una che controlla la velocità del motore e le altre due che controllano il senso di rotazione. Questo definisce sei costanti a cui viene assegnato il numero della porta del microcontrollore a cui sono collegati i pin ENA, IN1, IN2, IN3, IN4 ed ENB del modulo L298N. I nomi delle costanti sono facili da interpretare quali motori rappresentano.

 

#define abilita_Santa_motore 7

#define connessione_1_Santa_motore 5

#define connessione_2_Santa_motore 6

 

#define abilita_treno_motore 2

#define connessione_1_treno_motore 3

#define connessione_2_treno_motore 4

 

   Inoltre dovranno essere definite delle costanti per i sei LED, ai quali verrà assegnato il numero della porta del microcontrollore a cui verranno collegati.

 

#define casa_led_1 8

#define casa_led_2 9

#define led_house_3 10

#define led_house_4 11

#define led_house_5 12

#define led_house_6 13          

 

   Con le definizioni delle costanti si completa il blocco di definizione delle variabili ed il metodo impostazione() dello schizzo deve essere programmato. Innanzitutto vengono configurati i pin del microcontrollore che verranno utilizzati per controllare i motori. Devi venire con me pinMode(numero_pin, USCITA) configurati come pin del segnale di uscita perché devono inviare segnali ai pin del modulo di controllo L298N.

 

pinMode(abilita_Santa_motor,USCITA);

pinMode(connessione_1_Santa_motor,USCITA);

pinMode(connessione_2_Santa_motor,USCITA);

 

pinMode(abilita_treno_motore,USCITA);

pinMode(connessione_1_treno_motore,USCITA);

pinMode(connessione_2_treno_motore,USCITA);

 

   Anche i pin del microcontrollore a cui sono collegati i LED devono essere configurati come pin di uscita, poiché devono fornire tensione affinché i LED si accendano.

 

 

pinMode(casa_led_1,USCITA);

pinMode(casa_led_2,USCITA);

pinMode(casa_led_3,USCITA);

pinMode(casa_led_4,USCITA);

pinMode(casa_led_5,USCITA);

pinMode(casa_led_6,USCITA);

 

   Le righe precedenti vengono utilizzate per programmare il metodo impostazione() dello schizzo completato. Ora il metodo deve ciclo() programmato per funzionare continuamente. Le prime tre linee di questo metodo servono per controllare il motore di Babbo Natale, con la linea analogWrite(numero_pin, valore)  Il regime del motore viene impostato con un valore analogico il cui valore massimo è 244. Come si può vedere nel video di questa prima parte, il regime del motore è troppo alto. Se il valore di questa variabile è inferiore a 128, il motore non ruoterà. La seconda parte del progetto risolve questo problema aggiungendo un potenziometro. Entrambi vengono utilizzati per il senso di rotazione del motore digitalWrite(numero_pin, stato) vengono utilizzate linee definite. Se il motore di Babbo Natale ruota nella direzione opposta a quella desiderata, è possibile correggere il problema modificando lo stato di questi due fili o scambiando i cavi dal modulo L298N al motore.

 

analogWrite(abilita_Santa_motor,128);

digitalWrite(connessione_1_Santa_motor,ALTO);

digitalWrite(connessione_2_Santa_motor,BASSO);

 

   Le righe di codice per il controllo del motore dell'anello di tiro sono esattamente le stesse spiegate in precedenza. In questo caso la velocità del treno è corretta. Se si desidera una velocità maggiore è necessario impostare il valore nella riga analogWrite(numero_pin, valore).

 

analogWrite(abilita_treno_motore,128);

digitalWrite(connessione_1_treno_motore,ALTO);

digitalWrite(connessione_2_treno_motore,BASSO);

 

   Affinché i LED si accendano è necessario modificare lo stato dei pin a cui sono collegati. Normalmente, quando viene applicata l'alimentazione alla scheda del microcontrollore o viene ripristinata, lo stato iniziale delle porte è basso (BASSO), Cioè non forniscono alcuna tensione, quindi lo stato è “alto” (ALTO) deve essere modificato per ottenere una tensione di uscita di 5 Vdc. Questo viene fatto con il comando digitalWrite(numero_pin, STATO). Ci sarà una pausa di 3 secondi dopo l'accensione di ciascun LED.

 

digitalWrite(casa_led_1, ALTO);

ritardo(3000);

digitalWrite(casa_led_2, ALTO);

ritardo(3000);

digitalWrite(casa_led_3, ALTO);

ritardo(3000);

digitalWrite(casa_led_4, ALTO);

ritardo(3000);

digitalWrite(casa_led_5, ALTO);

ritardo(3000);

digitalWrite(casa_led_6, ALTO);

ritardo(3000);

 

 

   Ci auguriamo che questa prima parte del progetto per il Natale di quest'anno vi sia piaciuta. La seconda parte del progetto prevede l'installazione di un pannello WS2812B con 256 LED, un sistema audio e ventole per simulare la neve.