DIY или Сделай Сам / Электронное ожерелье. Часть 1

Идея делать украшения из электронных компонентов ^[1] не нова. Особенно приятно, если это не просто красивая кучка деталек, а работающая схема, которая светится, мигает и переливается… Расскажу о своем опыте конструирования подарка на 8 марта.

«Он живой и светится»

Безделушка представляет собой ожерелье, каждое звено которого снабжено светодиодами. Зажигая и гася их в определенном порядке, можно будет реализовать разные красивые световые эффекты. Проблема состоит в том, как управлять звеньями независимо и не превратить украшение в моток проводов. Как нельзя лучше здесь подойдет шина 1-Wire ^[2], так как она позволяет использовать всего 2 проводника и для передачи сигналов, и для питания.

Кратко о принципе работы 1-Wire

Как уже было сказано, шина состоит из двух проводов: сигнального и заземленного. На шине может быть одно ведущее устройство и множество ведомых. Каждое ведомое устройство имеет свой уникальный 64-битный адрес (в микросхемы 1-wire адрес зашивается при изготовлении, гарантируется отсутствие двух чипов с одинаковыми адресами). Сигнальный провод шины подтянут к «плюсу» питания через резистор, от него питаются ведомые устройства в режиме ожидания. Передача данных осуществляется кратковременным замыканием сигнального проводника на землю: на 15 мкс для передачи «1», на 60 мкс — для «0». Во время импульса низкого уровная ведомые устройства питаются от накопительных конденсаторов, которые обычно встроены прямо в микросхему.

Ведомые схемы

Каждая бусина будет состоять из микросхемы приемника 1-wire и двух светодиодов разных цветов. В качестве приемника берем DS2413 ^[3] — двухканальный ключ с выходным током до 20 мА, что для наших целей более чем достаточно. Вот схема подключения, ничего лишнего:

Конструктивно все это умещается на плате размером меньше ногтя, светодиоды на лицевой стороне, микросхема — на обратной.

Ведущая схема

Дирижировать оркестром будет микроконтроллер ATTiny13V ^[4]. Для управления шиной 1-wire использованы три ноги. А зачем три? Одна (PB2) для передачи данных путем замыкания шины на землю, подключена непосредственно. Вторая (PB1) для включения-выключения подтяжки, включена через резистор 1,5 кОм. В режиме ожидания этот вывод позволяет отключать шину от источника, экономя энергию. Третья нога (PB0) — для подачи напряжения на светодиоды через резистор 470 Ом, так как сопротивление подтяжки слишком велико для питания светодиодов. Смотрим схему:

Питается устройство от ионистора — конденсатора огромной емкости (1 фарад). По сравнению с батарейками и аккумуляторами у него куча преимуществ:

• Он почти вечный, сотни тысяч циклов заряд-разряд.
• Ему не нужны сложные зарядные устройства, достаточно ограничительного резистора.
• Он не боится короткого замыкания.
• Он не боится перепадов температуры.

Емкость ионистора, конечно, на порядок ниже, даже чем у часовой батарейки, но наша схема так мало потребляет (10 мА в импульсе, 7 мкА в режиме ожидания), что заряда должно хватать часов на пять.

Еще несколько комментариев по схеме. Конденсатор С2 можно не ставить, он был нужен в предыдущей версии проекта, на контроллере Tiny12, для генерации случайных чисел. Tiny13 позволяет делать это программно. Кнопка RESET, в принципе, тоже не нужна, но лучше её поставить, зачем — описано в разделе «Осторожно, грабли». Диод D1 защищает от переполюсовки при заряде ионистора, и просто красиво смотрится — цветная стеклянная трубочка :)

Плата ведущего модуля имеет форму сердечка (видно на фото в заголовке статьи), причем одно из полужополушарий его образует ионистор.

Руки — из ножен!

От слов к делу, для изготовления всей этой красоты понадобятся:

• Две серебряные цепочки. Лучше брать не обычные, из колец, а круглые в сечении, похожие на канатик (господа ювелиры, подскажите, как такое плетение называется?).
• Немного серебряной (или посеребренной) проволоки, диаметр 0,5 — 1,0 мм.
• Текстолит фольгированный двусторонний, 1,5 мм толщиной. Годятся даже обрезки.
• Лазерный принтер, утюг и хлорное железо. Если вам ближе технология с фоторезистом — вы знаете, что делать.
• Контроллер ATTiny13V, в корпусе SOIC. Именно с буквой V, обычные не работают при низком напряжении. Еще лучше Tiny13A, это более поздняя модель.
• DS2413, 10 штук. Можно взять больше или меньше, не принципиально.
• Светодиоды SMD, двух разных цветов. У меня использованы зеленые и оранжевые. Белые и синие брать не рекомендую, для их работы требуется более высокое напряжение (до 4 вольт), ионистор чуть сядет, и они уже перестанут светить. Лучше брать с запасом по количеству, светодиоды любят сгорать от статики в самый неподходящий момент.
• Ионистор 1Ф 5,5В.
• Резисторы, конденсаторы SMD в ассортименте. Можно не покупать, а взять любую старую плату (например, от CD-ROMа), и выпаять оттуда.
• Малогабаритный разъем. Годятся, например, разъемы, которыми в некоторых мобильниках к плате подключен динамик. Еще можно взять микроразъем для антенны от какого-нибудь WiFi/Bluetooth/GSM устройства.

Изготовление бусин

Все платы изготовлены лазерно-утюговым методом. Не буду подробно его расписывать, это обсуждалось здесь ^[5] раньше. Плату печатаем на глянцевой бумаге, рисунок утюгом переводим на текстолит, затем травим хлорным железом, тонер смываем ацетоном, лудим плату, сверлим отверстия.

Бусины изготовляются сразу по 8 штук на одной плате. Затем режем плату на кусочки, отбраковываем неудачные, оставшимся надфилем придаем желаемую форму. Фото с заготовками на разных стадиях:

Перемычки между сторонами платы делаются из проволоки. После распайки компонентов бусина выглядит так:

Прежде чем нанизывать бусины на цепочку, нужно проверить их работоспособность и (ВНИМАНИЕ!) считать адреса, зашитые в каждой микросхеме, ибо после подключения всех модулей к одной шине сделать это будет сложнее. Если у вас есть адаптер 1-Wire — отлично. Если нет — нужно взять контроллер, запрограммировать на считывание адресов и подключить по очереди к каждой бусине. Подробнее о считывании будет сказано во второй части.

Изготовление ведущего модуля

Плата ведущего модуля делается аналогично, методом лазера и утюга. После отмывки тонера и перед лужением нужно перевести на плату контуры, по которым ее будем вырезать. Печатаем контур на глянцевой бумаге, прикладываем к плате, совмещая по меткам, проглаживаем утюгом, отмываем бумагу водой. Затем аккуратно насверливаем по контуру отверстия:

Лишнее обламываем кусачками:

Дорабатываем надфилями:

Готовая плата после распайки компонентов, сверху:

и снизу:

Обратите внимание, на плате не предусмотрено никаких подключений для программатора, поэтому контроллер нужно прошивать отдельно и устанавливать на плату в самый последний момент.

Сборка

Бусины крепятся к цепочкам следующим образом: делаем из серебряной проволоки скобки и припаиваем к цепочке в заранее отмеченных местах. Используем для этого относительно тугоплавкий припой, я брал бессвинцовый (Sn 95 Ag 5).

Аналогично готовится нижняя цепочка, только интервалы между скобками должны быть чуть больше, чтобы после сборки получился полукруг.

Бусины припаиваем уже к скобкам, причем используя более легкоплавкий припой (можно обычный ПОС-60) и паяльник с терморегулятором, чтобы вся конструкция не отпаялась от цепи. Контакт должен быть как с лицевой стороны платы, так и с изнаночной. Важно не перепутать верх и низ. Контакт, куда идут аноды светодиодов — это верх, припаивается к длинной цепочке.

Свободные концы нижней цепочки нужно прикрепить к верхней, но так, чтобы не было замыкания. Для этой цели выпиливаем два маленьких текстолитовых треугольника, разрезаем фольгу на каждом на две площадки (печатать и травить эти фитюльки было уже лень), после чего припаиваем к цепочкам уже знакомыми скобками.

Сердечко вешаем на верхнюю цепочку посередине, с помощью петли из проволоки. Концы нижней цепочки просто припаиваются к контактным площадкам.

Все собрали, проверили еще раз, промыли спиртом от остатков флюса. Картинки кликабельны:
^{[6] [7]}

Зарядное устройство

Ну, устройство — это громко сказано. Схема заряжается от USB порта через резистор 47 Ом, ограничивающий начальный импульс тока. До 3 вольт ионистор заряжается за пять минут, полностью — около получаса.

Осторожно, грабли!

В ходе сборки и отладки обнаружено два неприятных обстоятельства. Во-первых, цепочка, хоть и серебряная, ток проводит очень плохо, сказывается наличие десятков сочленений. До крайних бусин сигнал уже не доходит. Пришлось взять тонкую (0,15 мм) посеребренную проволочку, аккуратно обвить вокруг цепочки и припаять к каждому модулю. С расстояния в метр эта проволока уже незаметна.

Грабли вторые: при очень медленном повышении напряжения питания контроллер отказывается стартовать. Не знаю, это особенность всех AVR-ок или только моего экземпляра. Обнаружилось это в самый последний момент, когда все уже было собрано, прошито и распаяно. Пришлось с обратной стороны платы поставить микрокнопку, которая замыкает ионистор накоротко. При кратковременном нажатии разрядиться он не успевает из-за своего внутреннего сопротивления, зато появляется импульс в цепи питания, которого достаточно для запуска контроллера. Если кто будет собирать подобную конструкцию, не повторяйте моих ошибок, сразу ставьте кнопку RESET.

Чертежи плат в Eagle, а также готовые шаблоны для печати одним архивом:
nekaka.com/d/oDpQyHL9CY ^[8]

Напоследок видео работы. Это тестовая прошивка, которая проверяет все светодиоды. Окончательный вариант будет немного с другими эффектами.

Вторая часть статьи будет посвящена написанию прошивки для контроллера. Продолжение следует.

Автор: Ocelot