Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками

в 13:38, , рубрики: arduino, AT42QT1011, DIY, diy или сделай сам, Raspberry Pi, razberry, touch sensor, TP4056, ttp223, ttp224, z-uno, z-wave, ZUNO, автоматизация дома, гаджеты, микроконтроллеры, Производство и разработка электроники, производство электроники, сенсорный выключатель, умный дом, умный дом z-wave, Электроника для начинающих

Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками - 1
Второй год я разрабатываю свой уникальный Z-Wave выключатель с сенсорными кнопками, который удовлетворит меня по функционалу, дизайну и стоимости изготовления.
С самого начала была цель сделать 4-х кнопочный выключатель на аккумуляторе размера 80х80 мм максимально тонким, сенсорные кнопки должны быть большие и при касании светиться целиком, а не только небольшой кружочек, как у всех. В итоге получился стильный тонкий выключатель, способный управлять любыми устройствами умного дома.
Во время разработки я решал множество задач по схемотехнике, дизайну корпуса и выбору материалов. Особенно интересным является создание самой сенсорной кнопки, которая светится целиком, но обо всем по порядку.

  • Функционал
  • Дизайн корпуса
  • Разработка печатной платы
  • Изучение рассеивателей света
  • Подбор материалов рассеивателя
  • Использование

Видео работы сенсорного выключателя в конце.

Функционал

Требовались следующие возможности выключателя:

  • Включать/выключать свет
  • Регулировать яркость освещения

4 кнопки управляют 2-мя группами освещения. Верхние кнопки при удержании плавно увеличивают яркость, при коротком нажатии включают свет. Нижние кнопки при удержании плавно уменьшают яркость, при коротком нажатии выключают свет.

TODO
Сделать, чтобы каждая кнопка работала в режиме переключения, нажал — вкл, нажал — выкл. Это позволит управлять 4-мя группами освещения.

Дизайн корпуса

Мне понравилась идея с 4-мя большими сенсорными кнопками компании Basalte, и я решил развить её в своем направлении.
Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками - 2
Рис. 1 — KNX выключатель Basalte

Я хотел, чтобы при касании кнопка светилась сама целиком, а не отдельный светодиод. Поэтому корпус представляет из себя узкую рамку с вырезами для 4-х сенсорных кнопок. Продуманы замочки для крепления задней крышки и углубления для установки магнитов. Крепежная пластинка приклеивается к стене на двухстороннюю клейкую ленту и к ней уже крепится сам выключатель с помощью магнитов. Удобно использовать выключатель как переносной пульт и удобно заряжать аккумулятор.
Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками - 3
Рис. 2 — Корпус сенсорного выключателя

Все детали корпуса разработаны в Blender и распечатаны на 3D принтере белым ABS пластиком.
Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками - 4
Рис. 3 — Разработка корпуса сенсорного выключателя в Blender

Разработка печатной платы

Печатная плата разработана в Proteus. Это вторая версия, в ней используется одна сенсорная микросхема TTP224 на 4 канала. В первой версии использовалось 4 шт. одноканальных TTP223, разницы в работе никакой, но при использовании TTP224 меньше компонентов паять.
Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками - 5
Рис. 4 — Разработка печатной платы сенсорного выключателя в Proteus

Главными компонентами на плате являются:

  1. Z-Wave радио чип
  2. Аккумулятор Robiton 800мАч
  3. 3.3V Step-Up/Step-Down Voltage Regulator S7V8F3
  4. Микросхема заряда аккумулятора TP4056
  5. Схема переключения питания с аккумулятора на USB
  6. Кнопка калибровки
  7. Микросхема сенсорных кнопок TTP224

Z-Wave чип работает в диапазоне 2.7В — 3.6В, аккумулятор выдает до 4.7В, поэтому я использовал повышающе-понижающий преобразователь 3.3В Pololu S7V8F3. Для заряда аккумулятора использовал дешевую и многим известную микросхему TP4056, ток заряда настроил на половину емкости аккумулятора 400мА. При подключении зарядки, питание устройства переключается на USB и аккумулятор спокойно заряжается, схема переключения питания реализована на одном транзисторе и диоде. Кнопка при нажатии сбрасывает питание регулятора и вся схема перезагружается, это нужно для калибровки TTP224. На лицевой части платы находятся 4 площадки сенсорных кнопок размером 40х40 мм и 4 светодиода. Производство заказано в Seeedstudio, качеством и ценой очень доволен.

Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками - 6
Рис. 5 — Плата сенсорного выключателя

Самым главным компонентом в сенсорном выключателе является контроллер сенсорной кнопки. Я провел тестирование 3-х контроллеров и у каждого оказались, как плюсы, так и минусы. Результаты тестирования 3-х контроллеров сенсорных кнопок:

TTP224
Плюсы: Дешевый, на текстолите с одной стороны могут быть площадки сенсоров, на обратной стороне другие компоненты, не нужна земля под площадкой сенсора для защиты от помех. Настройка выходного сигнала: высокий/низкий уровень, настройка режима кнопки: переключение/включение. 4 канала.
Минусы: Плохо работает сквозь оргстекло более 3 мм и еще хуже если на стекло наклеена пленка, не реагирует на небольшое касание, только нажатие всей подушечкой пальца, даже с настроенной максимальной чувствительностью (Cs = 1pF, диапазон 0-50pF, чем меньше, тем чувствительнее). Скорее всего не подходит для коммерческого использования, только DIY.

Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками - 7
Рис. 6 — TTP224 на готовой плате

AT42QT1011
Плюсы: Реагирует на небольшое касания сквозь 3 мм (и больше) оргстекло, если настроить чувствительность на среднем уровне (Cs = 22nF, диапазон 2-50nF, чем больше, тем чувствительнее). Защита от помех с помощью земли вокруг и под площадкой сенсоров, автоматически подстраивается под толщину стекла.
Минусы: Нужно использовать 2 текстолита, один для компонентов, второй для площадок сенсоров у которых с обратной стороны будет земля для защиты от помех. Выход только высокий уровень. 1 канал только.

Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками - 8
Рис. 7 — Тестовая плата AT42QT1011 с защитой от помех.

MTCH105
Плюсы: Реагирует на небольшое касания сквозь 3 мм (и больше) оргстекло. Защита от помех с помощью земли вокруг и под площадкой сенсоров, автоматически подстраивается под толщину стекла. 5 каналов.
Минусы: Долго реагирует на нажатие и долго понимает, что палец отпустили, порядка 0.5 секунд. Если удерживать палец на площадке сенсора, то через 9 секунд выключается светодиод, происходит калибровка. Сенсорную площадку требуется закрывать землей со всех сторон, в том числе и под площадкой, иначе срабатывает в любой точке касания текстолита.

Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками - 9
Рис. 8 — MTCH105 на макетной плате

Выбрал TTP224 (4 канала), потому что на одном текстолите с одной стороны можно разместить все компоненты, а на другой стороне — площадки сенсоров. Пожертвовал немного чувствительностью, через 3 мм оргстекло срабатывает если коснуться целиком подушечкой пальца, хотя это можно трактовать, как защита от случайного касания :).

TODO
Изготовить выключатель с двумя текстолитами. В качестве сенсорной микросхемы использовать 4 шт. AT42QT1011. Добавить вибромотор и бузер.

Изучение рассеивателей света

Стояла задача — равномерно засветить площадку размером 40х40мм, которой касается палец. Из-за ограничений размера корпуса, получилось впихнуть только по одному светодиоду для каждой площадки.
Я изучил устройство нескольких сенсорных выключателей: Livolo, Vitrum, HTTM touch button. В каждом использовался свой подход к равномерному рассеиванию света.

Vitrum
Итальянский Z-Wave выключатель с дорогим декоративным стеклом. Отражатель-рассеиватель реализован следующим образом: на прозрачном оргстекле нарисован обод светоотражающей краской, сбоку подсвеченный одним светодиодом. Со стороны светодиода краски меньше нанесено, тем самым достигается равномерное свечение по всему ободу. Сверху устанавливается декоративное стекло.
Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками - 10
Рис. 9 — Рисунок светоотражающего обода на оргстекле

Livolo
Бюджетный китайский сенсорный выключатель. На плате располагается 2 светодиода: красный и синий, светодиоды светят внутрь замутненного полупрозрачного пластика, из-за частых преломлений света внутри получается равномерное свечение всей поверхности, на текстолит нанесена светоотражающая краска.
Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками - 11
Рис. 10 — Сенсорная часть выключателя Livolo

HTTM — HelTec Touch Model
Готовый сенсорный модуль с Noname микросхемой. Отражатель-рассеиватель состоит из 3-х частей: текстолит с луженой площадкой, оргстекло для торцевой подсветки с множеством микроямок, белая мутная пленка.
Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками - 12
Рис. 10 — Разобранный сенсорный модуль HTTM

Подбор материалов рассеивателя

Рассеиватель из матового оргстекла
Обычное прозрачное 3 мм оргстекло обработал мелкой шкуркой с двух сторон для придания матовости. Такое оргстекло равномерно рассеивает свет по всей поверхности. Толщина материала позволяет комфортно работать с любой сенсорной микросхемой. Но на поверхности видны мелкие царапины, что влияет на эстетический вид.
Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками - 13
Рис. 11 — Матированное оргстекло

Рассеиватель из оргстекла для торцевой подсветки (LGP) и молочного оргстекла
Использовал 2 разных оргстекла толщиной по 2 мм, бутерброд из двух элементов получился 4 мм. Нижнее оргстекло для торцевой подсветки, благодаря нанесенным белым точкам, равномерно рассеивает свет по всей поверхности. Верхнее молочное оргстекло дает мягкое свечение и красивый вид, при этом яркость заметно ниже и увеличивается вес выключателя.
Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками - 14
Рис. 12 — Оргстекло для торцевой подсветки и опаловое оргстекло

Панель лайтбокса от компании Ledison
Российская компания Ledison предоставила на тест панель от лайтбокса состоящую из 3-х компонентов: светоотражающая подложка, специальное светорассеивающее 3 мм оргстекло (на вид прозрачное, но внутри видна зернистая структура), прозрачная защитная пленка. Верхнюю пленку я заменил на матовую Oracal 8500 и получилось хорошее рассеивание. Но при работе с выключателем пленка выгляди не солидно, может поцарапаться и её трудно приклеить без пузырьков.
Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками - 15
Рис. 13 — Бутерброд для лайтбокса от Ledison

После всех тестов в выключателе применил светоотражающую подложку от Ledison, а их оргстекло сделал матовым. На данный момент это лучший вариант для меня, и равномерно рассеивает, и яркость не снижена, и толщина подходящая.
Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками - 16
Рис. 14 — Корпус, плата и рассеиватель

Использование

Первые тестовые версии выключателей я изготовил 2 года назад и имею уже опыт их использования, один установлен около санузла на высоте 120 см и удобен для детей, второй располагается около кровати и управляет ночником, люстрой и LED подсветкой. Т.к. все кнопки разделены перекрестием их легко нащупать в темноте и нажать нужную. Световой фидбэк точно говорит какая кнопка нажата. По сравнению с кнопочными выключателями минусов не обнаружил.
Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками - 17
Рис. 15 — Сенсорный выключатель на аккумуляторе в деле

Заметил приятный побочный эффект, выключатель около кровати можно использовать для подсветки тумбы, если нажать на нижние кнопки.

PS

На данный момент в Z-Wave чипе используется прошивка от 4-x кнопочного брелока Z-Wave.Me Key Fob, удобно, что она уже есть готовая и хорошо работающая, неудобно, что не все функции есть, которые хочется. Единственным нерешенным вопросом осталась засветка уголков в центре, нужно закрывать фольгированной пленкой, но пока думаю куда лучше лепить фольгу, на корпус внутри или на оргстекло.
Далее в планах перейти на свободно программируемую плату Z-Uno для реализации всех программных хотелок.

Автор: Виталий

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля