Творим оригинальный подарок при помощи химии физики и электроники: часть 2

    В предыдущей части (http://habrahabr.ru/blogs/DIY/111610/) 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.

    image

    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.

    image


    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»

    image

    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:

    image

    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.

    image

    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.

    image

    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:

    image

    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).

    Часть 1
    Часть 3
    Поделиться публикацией
    Ой, у вас баннер убежал!

    Ну. И что?
    Реклама
    Комментарии 36
      +6
      Ответ нашелся в магазине «все для дома», в виде отличной цилиндрической стопки для водки стоимостью в 20 рублей за штуку.


      Мда, многое у нас начинается со стопки:)
        +2
        и как только раньше жили без АТмег\ПИКов и прочих контроллеров…
        плюсанул
          0
          Лебедевский «Люминариус» можно взять:



          И бросить кристалл прямо туда
            0
            Тогда пропадет чувство DIY.
              0
              Кристалл может вырастить каждый, а вот девайс собрать не каждый
                –1
                Я вот только собираюсь купить паяльник — и то буду пытаться делать сам:) Единственное, нужно будет найти программатор для микроконтроллера.
                  +3
                  Ну так первым квестом и будет спаять программатор :)
                    0
                    Так сделайте сами программатор. Схем море.
                      +5
                      Ваши синхронные ответы не оставляют мне выбора.
                      0
                      Рекомендую спаять вот этот:
                      prottoss.com/projects/AVR910.usb.prog/avr910_usb_programmer.htm

                        0
                        Начинать с этого… Спасибо, но желательно что-то полегче. Я паяльником только наушники паял.
                          0
                          LPT порт остался? тогда юзайте AVR-микроконтроллеры и программатор «5 проводов».
                            0
                            Да, есть. Спасибо, поищу информацию, звучит просто)
                • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                    0
                    Заметил, при том что я вовсе не собирался его пиарить. Всего лишь предложил выход для тех, у кого нет возможности собрать девайс.
                  0
                  Спасибо, что так скоро, буквально только что 1-ю часть прочитал — интересно.
                    +2
                    Третью! Третью статью давайте!:)
                      +3
                      Следующая статья искусственный алмаз из грифеля карандаша и способы перевозки в Мексику? На самом деле очень классно. Сколько у вас это всего времени заняло?
                        +7
                        Не очень много, особенно если не считать времени роста кристалла.
                        Большая часть ушла на отладку прошивки, по той простой причине, что в девайсе (для уменьшения места, занимаемого схемой) используется SMD тинька.
                        Приходилось подпаиваться к ее ногам, прошивать, отпаиваться, собирать все, заклеивать, обнаруживать что в прошивке баг, материться и начинать все сначала)
                        0
                        А нельзя ли сразу вырастить кристалл на диоде? т.е. подвесить сам диод, чтобы он только шляпкой находился немного в растворе? или к пластику плохо будет «прилипать» растущий кристалл?
                          0
                          Попробовать можно, была такая мысль. Но если растить на затравке, то форма будущего кристалла уже практически известна, поэтому можно не очень волноваться насчет температурных режимов и прочего — у меня лично безо всякой фильтрации вырос нормальный кристалл на базе затравки.

                          Если растить на диоде, то, во-первых неизвестно какой он в итоге вырастет формы, а во-вторых будет плохо липнуть, я думаю.
                          Наверное, можно слегка наждачкой поскрести линзу, чтобы была более шероховатой.
                            0
                            просто, если получится вырастить кристалл на диоде — то он будет, по идее, иметь больше форму цветка, нежели конкретно кристалла… может, адже, занятней будет елси дарить такое девушкам…
                              0
                              А если сточить линзу до самого кристалла? 8)
                            +7
                            Эх, побольше бы разъяснений для такого нуба как я… типа: «вот такую штучку можно купить тут, вот этот кусочек фольги к проводочку паяйте вот сюда… вот эту штучку купите в магазине у нее основные показатели написаны сбоку нам надо такую то и такую.»
                            схемы на листочке пугают, слова к ним тоже вгоняют в прострацию…
                            я готов собрать все сам но времени на то чтобы изучить основы найти сложно…
                            просто фотку бы схемы и подписью каждой детальки…
                              0
                              Знаете, все эти основы изучаются при помощи гугла за вечер-другой. Не так уж и много времени.
                                0
                                я думаю не все так просто… но всегда же хочится на блюдечке…
                                вот так я подумал, что классно и возможно забыл, а если в статье фотографии и схемы спайки именно то как должно быть; а то я даже не знаю как вон тот значек на схеме должен выглядеть… в реальности… Тут сложно, не уверен что у меня займет это всего 2 вечера…
                                дак вот если бы я все понял из статьи (а я только понял что схема довольно простая, но для меня конкретно конечно ниразу..) седня же уже «варил» бы медный купорос…
                              +5
                              Пообещайте, что не прекратите писать такие статьи!
                                +1
                                А если вместо кусочка фольги использовать полностью металлическую подставку (ну и если надо пластиковую изнутри) — получиться красивее и загораться будет от прикосновения в любом месте подставки :)
                                  0
                                  Однако, буквально перед новым годом — brokenbrake.biz/2010/12/31/handmade-2
                                    0
                                    Учитывая что девайс я сделал до нового года, тешу себя надеждой что моя идея оригинальна и принадлежит мне)
                                    Да и не очень я уважаю перекладывание внутренностей от покупных устройств в свои…
                                    Эта схема весьма проста, ее вполне может осилить любой, кто держал в руках паяльник, не убивая невинные свечки)
                                    0
                                    Алиса! милафон у меня! =)
                                      0
                                      Емкостный сенсор это конечно очень круто, но, как я понял, чтобы девайс заработал, нужно дотронуться рукой до фольги, которая приклеена где-то снизу. Мне кажется, в данном случае, было бы удобнее использовать кнопочку на дне девайса: поставил на стол — кнопка нажалась, девайс не работает, поднял со стола — отжалась, работает.
                                        0
                                        Фольга не снизу, а по ободку — если брать кристалл намеренно двумя пальцами, то к ней в любом случае прикоснутся.
                                          0
                                          Я бы взял тупо за стопку.
                                            +1
                                            Взял — возможно, но когда его рассматривают, он обычно занимает положение в ладони — сам проверял, оставив его на столе, и не говоря друзьям про сенсор)
                                        0
                                        Прошу прощения за дремучесть, но — реально ли увидеть процесс зарядки фольги при помощи осциллографа? Или, при касании ее щупом, общая емкость радикально больше? Я имею ввиду, конечно, на собранном девайсе. (Попробовать не на чем, прибора у меня нет, поэтому и спрашиваю)

                                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                        Самое читаемое