Умный будильник для умного дома

Что не собирай на avr, а в итоге все равно получаются часы
с радиолюбительских форумов

Многие жители мегаполисов (и не только) часто испытывают неудобства от необходимости рано просыпаться по утрам. Особенно зимой – за окном темно, организм думает, что еще ночь, отсюда чувство недосыпа и плохое самочувствие. Вместе с тем летом при утреннем солнечном свете просыпаться обычно заметно легче. Было решено попробовать «обмануть» организм, использовав для пробуждения плавно увеличивающуюся яркость искусственного освещения. Будильники с таким эффектом существуют готовые, однако стоят довольно дорого, кроме того, проект делался больше для собственного удовольствия.

На хабре довольно часто упоминаются различные дистанционно управляемые розетки и лампочки с управлением по Wi-Fi, в этом проекте похожая задача решается посредством ИК-управления.

Довольно давно на аукционе ebay была приобретена светодиодная лампа китайского производства с ИК пультом дистанционного управления. Лампа имеет стандартный цоколь E27, мощность 9W и субъективно обладает яркостью сорокаваттной лампы накаливания. С пульта можно включать/выключать лампу, а также устанавливать 5 разных уровней яркости.

Идея была следующая – собрать на микроконтроллере AVR будильник, который будет заранее перед звуковым сигналом плавно увеличивать яркость этой лампы посредством передачи ИК-команд. Лампа при этом вкручивается вместо одной из обычных ламп люстры верхнего освещения. За полчаса до установленного времени лампочка включается на минимальную яркость, затем яркость постепенно увеличивается до 100%.

В результате работы хотелось видеть если не шедевр, то хотя бы нечто в корпусе приличного вида, для чего решено было делать будильник в частично стеклянном корпусе с сенсорным управлением. Фирма Atmel предлагает для своих микроконтроллеров библиотеку QTouch, которая позволяет реализовать в своих устройствах сенсорные кнопки при минимальных затратах. В этом проекте хотелось как раз опробовать в деле эту замечательную библиотеку.

Итоговая конструкция представлялась следующей – односторонняя печатная плата, на которой с одной стороны (лицевой) устанавливаются светодиодные индикаторы, ИК-светодиод, фотодатчик, разъем питания, с другой стороны (сторона дорожек) методом поверхностного монтажа припаиваются остальные элементы. Затем индикаторы закрываются пластиной из тонированного стекла, на обратной стороне которой в нужных местах приклеены сенсорные кнопки. С тыльной стороны плата закрывается корпусом, представляющим собой пластиковую коробку подходящего размера. При этом имеем эстетичный внешний вид при отсутствии механических кнопок.

Итак, приступим к проектированию. Для начала определимся с микроконтроллером – он должен иметь достаточное количество выводов для реализации индикации и сенсорных кнопок, а также быть в корпусе не очень сложном для ручной пайки. Этим условиям удовлетворяет ATMEGA324P (44 ноги и шаг выводов 0.8 мм). Выбираем дисплей – в качестве такового было решено использовать светодиодный дисплей с крупными цифрами (1.8”). Дисплей состоит из четырех одноразрядных индикаторов с общим анодом. Обычно сегменты дисплеев большого размера состоят из нескольких последовательно соединенных светодиодов, поэтому пятивольтовым источником питания не обойтись, и для питания часов потребуется источник напряжением минимум 9 В.



Для управления таким дисплеем потребуется драйвер. Дисплей имеет общий анод, так что поступим следующим образом – катоды дисплея через токоограничительные резисторы будут подключены к микросхеме ULN2803, а для анодов предусмотрим отдельные транзисторные ключи. Микросхема ULN2803 представляет собой 8 транзисторов с резисторами в цепи базы, что делает ее очень удобной для подобного применения.

Далее собственно часы, точнее, микросхема RTC. В качестве таковой была выбрана DS3231 – микросхема с встроенным кварцевым резонатором и минимальным числом внешних компонентов. Производитель обещает точность хода порядка нескольких секунд в год. Также за счет встроенного измерителя температуры для термокомпенсации ухода частоты кварца получаем «бесплатный» термометр, показывающий температуру внутри корпуса.

Для звонка используется пьезоизлучатель ЗП-19.

В качестве «исполнительного элемента», который отличает будильник от миллионов подобных, в схеме присутствует ИК-сведодиод, который и будет формировать команды для лампочки.

Для питания часов от сети используется нестабилизированный источник питания напряжением 12 В. Для питания микроконтроллера в схеме надо предусмотреть отдельный источник питания — ставим хорошо известный линейный источник LM7805.

В завершении предусмотрим в схеме двухцветный светодиод для индикации состояния будильника, а также фотодатчик для реализации изменения яркости индикатора в зависимости от уровня освещения. Фотодатчик будет подключен к компаратору, следовательно, надо предусмотреть подстроечный резистор для регулировки порога срабатывания.
Схема готова, можно приступать к программированию и изготовлению. Перед изготовлением большая часть программы была проверена в симуляторе Proteus, в котором и производилось все проектирование.

К сожалению, смоделировать работу библиотеки QTouch в протеусе не удалось, так что предварительно пришлось собрать часть схемы на макетке и «поиграть» с емкостными датчиками отдельно. Библиотека отлично себя показала – четкое срабатывание во всех случаях.

Следующий элемент, потребовавший экспериментальной отработки – собственно дистанционное управление лампочкой. Подключаем фотодиод к осциллографу и смотрим на сигнал нажимая кнопки пульта:
 

Из картинки видно, что используется протокол NEC – один из широкоизвестных протоколов инфракрасного управления, где информация кодируется длительностью паузы между импульсами. Логическая 1 – пауза в 1,7 мс, логический 0 – пауза 0,6 мс. После стартовой последовательности (9 мс импульс и 4,5 мс пауза) передается 32 бита: адрес, инверсный адрес, команда, инверсная команда. Протокол хорошо документирован, и в интернете нетрудно найти его подробное описание.

С помощью осциллографа также определяем частоту передачи – она оказалась равной 38 КГц. Итак, нужные коды кнопок пульта:



Пишем функции, которые будут формировать ИК-команды, проверяем с помощью макетки – лампочка включается, яркость регулируется – значит, все почти готово, можно собирать часы.

Плата изготавливалась методом ЛУТ. У меня довольно скромный опыт в изготовлении плат этим методом, но получилось вполне терпимо. Не обошлось без косяков – забыл предусмотреть на схеме вывод RESET в разъеме для программирования, пришлось припаивать отдельно. На фото только что собранная плата, с еще неотмытым местами флюсом.



Еще раз проверяем, включаем, заливаем прошивку и начинаем процесс отладки. После того, как все заработает, можно закрывать все в корпус.

Продолжаем ловить ошибки. Как уже упоминалось, в качестве основного элемента корпуса было решено заказать пластину из тонированного стекла с обработанной кромкой и четырьмя отверстиями, через которые она и будет крепиться к плате. Если кто-то захочет изготовить аналогичную конструкцию – советую проектировать плату после заказа пластины. Я нашел фирму которая обещала любые работы со стеклом по эскизам, с высокой точностью, современными станками и т.д., на практике же отверстия для крепления были просверлены с разницей в сантиметр от эскиза. Однако предъявлять претензии уже не стал, просто немного скорректировал плату. Еще одной ошибкой был неправильный выбор диаметра отверстий в стекле – первоначально для крепления хотелось использовать декоративные гайки с плоской поверхностью. Такие были найдены на ebay в магазине аксессуаров для металлистов — используются, видимо, для имитации заклепок на ремнях (так называемые Chicago Screws). Однако когда гайки пришли, оказалось что они имеют диаметр резьбовой части 5 мм, а отверстия в стеклянной пластине были 4 мм, так что от идеи пришлось отказаться и крепить стекло обычными болтами с потайной головкой, которые потом были просто покрашены маркером.

С обратной стороны стекла расположены сенсорные датчики – для этого используем алюминиевый скотч. К сенсорам кусочками вспененного полиэтилена (от упаковок с ebay) прижимаются провода от платы. Под кнопкой будильника находится индикаторный светодиод – логика его работы следующая: если будильник будет звенеть в ближайшие 24 часа – зеленый, не будет звенеть – красный, все будильники выключены – светодиод не горит. Символ будильника (колокольчик) тоже переводим на скотч методом ЛУТ, аккуратно вырезаем и приклеиваем к стеклу.

Тонированное стекло отлично себя показало в работе с сенсорными кнопками и эстетическом оформлении дисплея, однако оно весьма существенно ослабляет ИК-излучение. Один ИК-светодиод работает неуверенно, так что в дополнение в разрыв дорожки был дополнительно припаян еще один, который светит в отверстие в верхней стенке корпуса. В итоге имеем уверенное срабатывание, не хуже чем у штатного пульта.

По результатам эксплуатации будильника можно сказать, что идея себя полностью оправдала – просыпаться с таким устройством темным зимним утром действительно намного легче. Дополнительно имеем прикроватный дистанционный выключатель освещения.

Статья была написана больше из желания поделиться идеей, как реализовать подобное с минимальными усилиями, однако если кто-нибудь захочет повторить устройство именно в таком виде – готов предоставить прошивку и ответить на вопросы.

Update:
Ссылка на исходники прошивки, схему и плату в формате Proteus:
clock.zip

http://habrahabr.ru/post/248289/