H Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками в черновиках

H Разработка сенсорного Z-Wave выключателя на аккумуляторе со светящимися кнопками в черновиках

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

Функционал

Требовались следующие возможности выключателя:

• Включать/выключать свет
• Регулировать яркость освещения

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.

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.

Рис. 2 — Корпус сенсорного выключателя

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

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.

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

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:

Плюсы: Дешевый, на текстолите с одной стороны могут быть площадки сенсоров, на обратной стороне другие компоненты, но при этом сильно снижается чувствительность. Настройка выходного сигнала: высокий/низкий уровень, настройка режима кнопки: переключение/включение. 4 канала.

Минусы: Если с обратной стороны сенсорной площадки находятся дорожки, то 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).

Рис. 6 — TTP224 на готовой плате

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). Автоматически подстраивается под толщину стекла.

Минусы: Под сенсорной площадкой не должно быть никаких дорожек, ни питания, ни земли, иначе снижается чувствительность. Выход только высокий уровень. 1 канал только.

Рис. 7 — Тестовая плата AT42QT1011

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.

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 чувствительностью, через 3 мм оргстекло срабатывает если коснуться целиком подушечкой пальца, хотя это можно трактовать, как защита от случайного касания :). Если под площадкой сенсора нет дорожек, то реагирует сквозь 4 мм оргстекло при малейшем касании.

Изготовить сенсорный выключатель с двумя текстолитами, первый — для сенсорных площадок, второй — для всех компонентов. Добавить вибромотор и бузер. Реализовать функцию слабой подсветки при срабатывании встроенного датчика движения.

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.

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.

Рис. 9 — Рисунок светоотражающего обода на оргстекле

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.

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.

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.

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.

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 выглядит не солидно, может поцарапаться и её трудно приклеить без пузырьков.

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.

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.

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.

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 программируемый Z-Uno Module для реализации всех программных хотелок.