Главная » Хабрахабр » Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками

Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками


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.

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

Дизайн корпуса

Мне понравилась идея с 4-мя большими сенсорными кнопками компании Basalte, и я решил развить её в своем направлении.

Рис. 1 — KNX выключатель Basalte

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

Рис.

3 — Разработка корпуса сенсорного выключателя в Blender Все детали корпуса разработаны в Blender и распечатаны на 3D принтере белым ABS пластиком.

Рис.

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.

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.

5 — Плата сенсорного выключателя
Рис.

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

Настройка выходного сигнала: высокий/низкий уровень, настройка режима кнопки: переключение/включение. 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. Скорее всего не подходит для коммерческого использования, только DIY. 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).

6 — TTP224 на готовой плате
Рис.

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. 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). 1 канал только. Выход только высокий уровень.

7 — Тестовая плата AT42QT1011 с защитой от помех.
Рис.

Защита от помех с помощью земли вокруг и под площадкой сенсоров, автоматически подстраивается под толщину стекла. MTCH105
Плюсы: Реагирует на небольшое касания сквозь 3 мм (и больше) оргстекло. 5 секунд. 5 каналов.
Минусы: Долго реагирует на нажатие и долго понимает, что палец отпустили, порядка 0. Сенсорную площадку требуется закрывать землей со всех сторон, в том числе и под площадкой, иначе срабатывает в любой точке касания текстолита. Если удерживать палец на площадке сенсора, то через 9 секунд выключается светодиод, происходит калибровка.

8 — MTCH105 на макетной плате
Рис.

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

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

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.

Отражатель-рассеиватель реализован следующим образом: на прозрачном оргстекле нарисован обод светоотражающей краской, сбоку подсвеченный одним светодиодом. Vitrum
Итальянский Z-Wave выключатель с дорогим декоративным стеклом. Сверху устанавливается декоративное стекло.

Рис. Со стороны светодиода краски меньше нанесено, тем самым достигается равномерное свечение по всему ободу. 9 — Рисунок светоотражающего обода на оргстекле

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.

Рис. Livolo
Бюджетный китайский сенсорный выключатель. 10 — Сенсорная часть выключателя Livolo

Отражатель-рассеиватель состоит из 3-х частей: текстолит с луженой площадкой, оргстекло для торцевой подсветки с множеством микроямок, белая мутная пленка.

Рис. HTTM — HelTec Touch Model
Готовый сенсорный модуль с Noname микросхемой. 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.

Рис. 11 — Матированное оргстекло

Нижнее оргстекло для торцевой подсветки, благодаря нанесенным белым точкам, равномерно рассеивает свет по всей поверхности. 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. 12 — Оргстекло для торцевой подсветки и опаловое оргстекло Верхнее молочное оргстекло дает мягкое свечение и красивый вид, при этом яркость заметно ниже и увеличивается вес выключателя.

Рис.

Верхнюю пленку я заменил на матовую Oracal 8500 и получилось хорошее рассеивание. 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. 13 — Бутерброд для лайтбокса от Ledison Но при работе с выключателем пленка выгляди не солидно, может поцарапаться и её трудно приклеить без пузырьков.

Рис.

На данный момент это лучший вариант для меня, и равномерно рассеивает, и яркость не снижена, и толщина подходящая.

Рис. После всех тестов в выключателе применил светоотражающую подложку от Ledison, а их оргстекло сделал матовым. 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.

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.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Конференция «Контентинг» — теперь с поддержкой hyper-threading

Друзья, на связи контент-студия Хабра. 29 ноября мы проводим собственную конференцию про контент и авторов. Будем учить, вдохновлять и рассказывать, как лучше, — в два синхронных потока докладов и дискуссий. Спикеры — эксперты в области контент-маркетинга, которые годами нарабатывали и тестировали ...

J2CL — Лучше поздно, чем никогда

Ещё никому не удалось опоздать на свои похороны.Валентин Домиль Идея трансляции Java в JavaScript далеко не нова, и все уже давно набили шишек с Google Web Toolkit, однако этот продукт сообщество ждало как ни один другой — о нем говорили ...