В предыдущей части был рассмотрен первый шаг к созданию девайса, собственно выращивание кристалла. В этой части будем рассматривать физическое воплощение самого устройства и его электрическую схему.
Шаг 2: создаем конструкцию
Долгая и муторная часть закончилась, теперь все пойдет быстрее. После того как я получил свой кристалл, я задался вопросом «где же взять подходящий стеклянный цилиндр, в который кристалл можно заключить?» Ответ нашелся в магазине «все для дома», в виде отличной цилиндрической стопки для водки стоимостью в 20 рублей за штуку.
Она привлекла меня по двум причинам: во-первых, она была без узоров, гравировок и правильной формы – ровный стеклянный цилиндр. Во-вторых, она была достаточно толстостенной, что хорошо сказывается на прочности конструкции.
Итоговая конструкция, к которой мы должны придти изображена ниже.
В принципе, если вы вырастили кристалл размером с кулак, или вам просто не нравится такие стопки, можно выбрать любую подходящую прозрачную тару. Главное, чтобы была возможность ее в последствие герметизировать, чтобы предотвратить выветривание кристалла. Теперь наша задача найти полую внутри пластиковую вставку, на которую можно поместить кристалл, а внутри нее – схему управления с батарейкой. Я остановился на пластиковой коробочке из-под канифоли, которая идеально входила в рюмку. В центре нее проделываем дырку под светодиод (подробнее на выборе светодиода я остановлюсь в части, посвященной электронике), вставляем его туда и заклеиваем изнутри термоклеевым пистолетом. На этот же клей сажаем кристалл снаружи пластиковой подставки, прямо над светодиодом. Удостоверившись, что все именно так, как нужно, переходим к финальной стадии этого шага – смазываем внешнюю поверхность подставки герметиком подходящего цвета (я выбрал черную подставку, соответственно и черный герметик) и вставляем ее внутрь рюмки. После того как герметик застынет у вас получится полностью герметичная рюмка с кристаллом внутри, который можно подсветить, подав питание на выводы светодиода. Я ничем не заливал кристалл, остановившись на варианте с лаком и герметичным сосудом, но если вы очень сильно хотите быть уверенны, что кристалл будет хранится веками, то можно залить его каким-нибудь прозрачным органическим составом(маслом, допустим). Правда это потребует от вас грамотной герметизации, чтобы девайс не начал вдруг протекать.
Переходим к наиболее интересному шагу – разработке электроники.
Шаг 3: разрабатываем электронику
После выполнения вышеописанных шагов у нас должна была получиться заготовка, к которой, в принципе, можно добавить батарейку и выключатель, и получить готовое изделие. Но такой сувенир не будет ничем выделяться среди кучи разных «светяшек», продающихся по 50 рублей ведро. Наша цель на этом шаге разработать электрическую схему устройства, которое во-первых влезет в нашу подставку, во-вторых не будет потреблять много тока в режиме простоя (можно, конечно, вывести наружу выключатель, но по мне так это сильно портит впечатление), и в-третьих обеспечит то, к чему мы и стремились с самого начала: плавное возрастание свечения кристалла, когда его берут в руку, и угасание после того как его поставят на место. По сути перед нами стоят две задачи: 1) Определить прикосновение к девайсу человека 2) Управлять яркостью светодиода.
Отличным вариантом решения первой задачи является реализация емкостного сенсора. Несмотря на звучное название, она весьма проста и требует, по сути, только самого сенсора (в виде простого кусочка фольги, проволоки, или площадки на печатной плате), 1-2 пинов микроконтроллера и резистора с сопротивлением от мегаома и выше.
Обратимся к теории. Предположим, у нас имеется последовательное соединение резистора и конденсатора, описанное в статье википедии «RC-цепь»
Предположим, что изначально Vin = 0 и конденсатор разряжен. Vc, таким образом, также равно нулю. При приложении напряжения Vin, не равного нулю, напряжение на конденсаторе растет по следующему закону:
Где T=RC. Предположим теперь, что вместо конденсатора у нас имеется обычная металлическая пластинка, или полоска фольги. Согласно законам физики, она также обладает некоторой, пусть и очень малой, емкостью, порядка единиц пикофарад. Нетрудно подсчитать, что время, за которое такая пластинка зарядится, при резисторе в 1 МОМ составляет 10^6*10^(-12) = 10^(-6) c. Очень маленькая величина, однако, для микроконтроллера, работающего на частоте 10 МГц, успеют пройти целых 10 тактов. Теперь представим, что пластинки коснулся человек. Его емкость на два порядка выше емкости пластинки и составляет около 100-200 пикофарад. Следовательно, время, за которое пластинка зарядится, существенно возрастет.
Ниже представлена модель сенсора в системе Proteus. Конденсатор C1 выступает в качестве собственной емкости нашей сенсорной пластинки, С2 вместе с выключателем SW1 – емкость прикасающегося человека.
Как мы видим, схема предельно проста и использует только два пина микроконтроллера. Более того, при необходимости, можно построить сенсор на одном пине, попеременно переключая его с выхода на вход, но в данном случае я решил не экономить ноги микросхемы.
Алгоритм опроса сенсора также очень прост и вытекает и сказанного выше:
1) PB.4 мы устанавливаем на выход, и подаем туда 0. Это разрядит сенсор. 2) PB.3 устанавливаем на вход, отключив подтяжку (это важно! Подтяжка к питанию будет постоянно держать сенсор заряженным, а нам это не нужно). 3) Настраиваем таймер микроконтроллера на нужную нам частоту. Частота выбирается по следующему критерию: она должна быть достаточно большой, чтобы захватить время заряда и различить «пустой» сенсор от активного, но в то же время, достаточно маленькой, чтобы при активном сенсоре не произошло переполнения таймера. Так как в нашем устройстве микроконтроллер будет работать от встроенного тактового генератора для экономии места, его максимальная частота будет равна 9.6 МГц, что вполне подходит по вышеизложенному критерию. Поэтому таймер будем запускать без предделителя, на частоте микроконтроллера. 4) Включаем таймер 5) Выводим в PB.4 логическую единицу, тем самым запуская процесс зарядки емкостей 6) Проверяем значение на PB.3 до тех пор, пока там не появится лог. 1. 7) Останавливаем таймер. 8) Выводим в PB.4 лог. 0 для разрядки сенсора.
Полученное значение таймера и есть число, по которому мы будем определять, пуст сенсор или нет. Но сравнивать его напрямую с прикидочным значением неправильно. Это сделает схему очень зависимой от окружающих условий. Для правильной работы сенсора необходимо при запуске выполнить калибровку, то есть выполнить описанный алгоритм, и записать полученное значение таймера во внутреннюю переменную, SensorLow, сочтя его значением, соответствующем неактивному сенсору. В процессе опроса сенсора же, нужно будет выполнить все описанные шаги, и полученное значение сравнивать, допустим, с SensorLow+N, где N – порог чувствительности нашего сенсора.
Что касается регуляции яркости светодиода – это легко достигается при помощи ШИМ (широтно-импульсной модуляции), при которой вместо постоянного уровня напряжения на нагрузку подаются прямоугольные импульсы с регулируемой скважностью. В итоге среднее значение напряжения равняется значению логического уровня, помноженному на значение скважности. Эта техника широко известна, поэтому я не буду останавливаться на подробном ее описании.
Несколько слов о выборе светодиода и источника питания. От элемента питания нам требуется долгий срок службы «на полке» (при низком потреблении), напряжение питания 3-5 вольта, для запитки контроллера и светодиода и сравнительно большой ток при полностью зажженном светодиоде – 10-15 мА. Для этих целей идеально подходит литиевая батарейка CR2450, выдающая напряжение 3.0 вольта, обладающая емкостью примерно в 610 мАч, способная отдать большие (до 30 мА) токи и храниться до 10 лет. Стоимость такой батарейки составляет около 100р.
Светодиод я выбрал синий, под цвет кристалла, с размером линзы 5 мм, но все в ваших руках, можно экспериментировать с разными цветами и оттенками. Главное условие для светодиода – напряжения батарейки должно быть достаточно для его открытия. Падение напряжения на моем синем светодиоде составляет около 2.7 вольта, что значит, что при «просадке» батарейки всего на 0.3 вольта диод уже не загорится. Существуют светодиоды с еще большим падением напряжения, для таких выбранная литиевая батарейка уже не подойдет. Однако, нет худа без добра – высокое падение напряжения на моем светодиоде сделало возможным его подключение без дополнительного резистора. В итоге полная электрическая схема выглядит так:
Предельно просто – маленький 8-пиновый микроконтроллер ATTiny13, один мегаомный резистор, один светодиод и полоска фольги в качестве сенсора, которую я наклеил на внешний бортик пластиковой подставки и соединил со схемой тонкой проволочкой. Пины питания и земли контроллера на схеме не указаны. Мы почти у цели, осталось написать прошивку, чему посвящен следующий шаг (в следующей статье).
