Desenvolvimento de um interruptor Z-Wave de toque na bateria com botões luminosos

No segundo ano, desenvolvi meu switch Z-Wave exclusivo com botões de toque que me satisfarão em termos de funcionalidade, design e custo de fabricação.

Desde o início, o objetivo era tornar a chave de 4 botões de uma bateria com um tamanho de 80x80 mm o mais fina possível, os botões de toque devem ser grandes e acender quando tocados, não apenas um pequeno círculo como todos os outros. O resultado é um switch fino e elegante que pode controlar qualquer dispositivo doméstico inteligente.

Durante o desenvolvimento, resolvi muitas tarefas em circuitos, design de caixas e seleção de materiais. Particularmente interessante é a criação do próprio botão de toque, que brilha por inteiro, mas primeiro as primeiras coisas.

• Funcional
• Design do caso
• Design de PCB
• Estudos do difusor de luz
• Seleção de materiais difusores
• Use

Vídeo da operação do interruptor de toque no final.

Funcional

Os seguintes recursos do disjuntor foram necessários:

• Ligar / desligar a luz
• Ajustar o brilho da iluminação

4 botões controlam 2 grupos de iluminação. Os botões superiores, enquanto pressionam, aumentam gradualmente o brilho, com um breve toque na luz. Os botões inferiores, enquanto pressionam, diminuem gradualmente o brilho, pressionando rapidamente a luz.

Todo

Faça com que cada botão funcione no modo de comutação, pressione - on, pressione - off. Isso permitirá que você controle 4 grupos de iluminação.

Design do caso

Gostei da ideia com 4 botões de toque grandes da Basalte e decidi desenvolvê-la na minha direção.


Fig. 1 - chave KNX Basalte

Queria que o botão fosse iluminado como um todo quando tocado, em vez de um LED separado. Portanto, o gabinete é um quadro estreito com recortes para 4 botões de toque. Bloqueios para prender a tampa traseira e recessos para a instalação de ímãs são pensados. A placa de fixação é colada à parede em uma fita adesiva dupla face e o próprio interruptor já está preso a ela usando ímãs. É conveniente usar o interruptor como um controle remoto portátil e é conveniente carregar a bateria.


Fig. 2 - Caixa do interruptor de toque

Todas as partes do corpo são projetadas no Blender e impressas em uma impressora 3D com plástico ABS branco.


Fig. 3 - Desenvolvimento da carcaça do interruptor de toque no Blender

Design de PCB

A placa de circuito foi projetada pela Proteus. Esta é a segunda versão, usa um chip sensor TTP224 para 4 canais. A primeira versão usou 4 peças. TTP223 de canal único, não há diferença na operação, mas ao usar o TTP224, há menos componentes de solda.


Fig. 4 - Projeto da placa de circuito do interruptor de toque no Proteus

Os principais componentes do quadro são:

1. Chip de rádio Z-Wave
2. Bateria Robiton 800mAh
3. 3.3V Regulador de tensão Step-Up / Step-Down S7V8F3
4. Carga da bateria TP4056
5. Diagrama para alternar energia da bateria para USB
6. Botão de calibração
7. IC do botão de toque TTP224

O chip Z-Wave opera na faixa de 2,7V a 3,6V, a bateria produz até 4,7V, então usei o conversor de impulso Pololu S7V8F3 3.3V. Para carregar a bateria, usei um chip TP4056 barato e conhecido, configurei a corrente de carga para metade da capacidade da bateria de 400mA. Quando o carregamento está conectado, a energia do dispositivo muda para USB e a bateria está carregando silenciosamente, o esquema de comutação de energia é implementado em um único transistor e diodo. O botão, quando pressionado, redefine a energia do regulador e o circuito inteiro é reiniciado, isso é necessário para calibrar o TTP224. Na parte frontal da placa, existem 4 botões de toque de 40 x 40 mm e 4 LEDs. Produção encomendada pela Seeedstudio, muito satisfeita com a qualidade e o preço.


Fig. 5 - Placa do interruptor de toque

O componente mais importante no comutador de toque é o controlador do botão de toque. Eu testei 3 controladores e cada um acabou por ter prós e contras. Resultados do teste para 3 controladores de botão de toque:

TTP224

Prós: barato, na placa de circuito impresso de um lado pode haver placas de sensor, na parte traseira de outros componentes, mas a sensibilidade é bastante reduzida. Configuração do sinal de saída: alta / baixa, configuração do modo de botão: ligar / desligar. 4 canais.

Contras: Se houver faixas na parte de trás do touch pad, ele não funcionará bem em Plexiglas mais de 3 mm e, pior ainda, se o filme for colado ao vidro, ele não responderá a um leve toque, apenas pressionando com a ponta do dedo inteiro, mesmo com a sensibilidade máxima definida (Cs = 1pF, 0-50pF, quanto menor, mais sensível).


Fig. 6 - TTP224 na placa acabada

AT42QT1011

Prós: reage a um pequeno toque através de plexiglas de 3 mm (ou mais), se você ajustar a sensibilidade em um nível médio (Cs = 22nF, faixa 2-50nF, quanto mais, mais sensível). Ajusta-se automaticamente à espessura do vidro.

Contras: sob o touchpad, não deve haver faixas, energia ou solo, caso contrário a sensibilidade diminui. A saída é apenas um nível alto. Apenas 1 canal.


Fig. 7 - Placa de teste AT42QT1011

MTCH105

Prós: reage a um leve toque através de plexiglas de 3 mm (ou mais). Anti-jamming com a ajuda do solo ao redor e sob os sensores, ajusta-se automaticamente à espessura do vidro. 5 canais.

Contras: Ele reage por muito tempo pressionando e por muito tempo percebe que o dedo foi solto, cerca de 0,5 segundos. Se você segurar o dedo na plataforma do sensor, depois de 9 segundos o LED se apaga, a calibração ocorre. É necessário que o touch pad esteja coberto de terra por todos os lados, inclusive sob o pad, caso contrário, ele funciona em qualquer ponto de contato da PCB.


Fig. 8 - MTCH105 na tábua de pão

Eu escolhi o TTP224 (4 canais), porque em um PCB, por um lado, todos os componentes podem ser colocados e, por outro lado, em sensores. Ele sacrificou a sensibilidade, depois de 3 mm o plexiglass funciona se você tocar o todo com a ponta do dedo, embora isso possa ser interpretado como proteção contra contato acidental :). Se não houver faixas sob a área do sensor, ele reage através de plexiglas de 4 mm com o menor toque.

Todo

Para fabricar um switch sensível ao toque com duas PCBs, a primeira para touch pads e a segunda para todos os componentes. Adicione motor de vibração e reforço. Implemente a função de baixa luz de fundo quando o sensor de movimento embutido é acionado.

Estudos do difusor de luz

A tarefa era iluminar uniformemente uma plataforma de 40x40mm, que toca o dedo. Devido a restrições de tamanho da caixa, foi possível empurrar apenas um LED para cada site.

Estudei o dispositivo de vários interruptores de toque: Livolo, Vitrum, botão de toque HTTM. Cada um usou sua própria abordagem para espalhar uniformemente a luz.

Vitrum

Interruptor Z-Wave italiano com vidro decorativo caro. O refletor-difusor é implementado da seguinte maneira: em um plexiglás transparente, um aro é pintado com tinta refletiva, iluminado pela lateral com um único LED. No lado do LED, menos tinta é aplicada, obtendo um brilho uniforme em todo o aro. Um vidro decorativo é instalado na parte superior.


Fig. 9 - Borda refletora em plexiglass

Livolo

Orçamento interruptor de toque chinês. Existem 2 LEDs na placa: vermelho e azul, os LEDs brilham dentro de um plástico translúcido nublado, devido a freqüentes refrações de luz no interior, é obtido um brilho uniforme de toda a superfície e a tinta reflexiva é aplicada ao textolito.


Fig. 10 - Toque em parte do interruptor Livolo

HTTM - Modelo HelTec Touch

Módulo de toque pronto com chip Noname. O refletor-difusor é composto por 3 partes: textolite com uma almofada de estanho, acrílico para iluminação final com muitos micro-orifícios, um filme branco nublado.


Fig. 10 - Módulo de toque HTTM desmontado

Seleção de materiais difusores

Difusor em plexiglás fosco

O usual plexiglás transparente de 3 mm foi tratado com uma lixa fina de ambos os lados para torná-lo opaco. Esse plexiglás espalha uniformemente a luz por toda a superfície. A espessura do material permite trabalhar confortavelmente com qualquer chip sensor. Mas pequenos arranhões são visíveis na superfície, o que afeta a aparência estética.


Fig. 11 - Plexiglass fosco

Difusor de plexiglás para iluminação frontal (LGP) e plexiglás de leite
Utilizou 2 plexiglas diferentes de 2 mm de espessura, um sanduíche de dois elementos que acabou por ser de 4 mm. O plexiglás inferior para iluminação final, graças aos pontos brancos aplicados, espalha uniformemente a luz por toda a superfície. O plexiglás superior do leite proporciona um brilho suave e uma aparência bonita, enquanto o brilho é visivelmente mais baixo e o peso do interruptor aumenta.


Fig. 12 - Plexiglass para iluminação final e plexiglass opala

Painel Ledbox Lightbox
A empresa russa Ledison forneceu um painel de caixa de luz composto por 3 componentes para o teste: um substrato refletivo, um Plexiglas especial de 3 mm de dispersão da luz (parece transparente, mas uma estrutura granulada é visível no interior), uma película protetora transparente. Substituí o filme superior por um Oracal 8500 fosco e obtive uma boa dispersão. Mas, ao trabalhar com o interruptor, o filme não parece sólido, pode ser arranhado e é difícil colar sem bolhas.


Fig. 13 - Sanduíche de caixa de luz Ledison

Depois de todos os testes no switch, usei um substrato refletivo da Ledison, e seu plexiglass ficou fosco. No momento, esta é a melhor opção para mim, e se dispersa uniformemente, e o brilho não é reduzido e a espessura é adequada.


Fig. 14 - Caixa, placa e difusor

Use

Eu fiz as primeiras versões de teste dos interruptores há 2 anos e já tenho experiência em usá-los, um é instalado perto do banheiro a uma altura de 120 cm e é conveniente para crianças, o segundo fica perto da cama e controla uma lâmpada noturna, lustre e luz de fundo LED. Porque todos os botões são separados por uma mira; são fáceis de encontrar no escuro e pressione o desejado. O feedback da luz indica exatamente qual botão está pressionado. Em comparação com os botões de pressão, não encontrei nenhum ponto negativo.


Fig. 15 - Interruptor de toque da bateria em ação

Percebi um efeito colateral agradável, o interruptor perto da cama pode ser usado para iluminar os armários, se você pressionar os botões inferiores.

PS

No momento, o chip Z-Wave usa firmware do chaveiro 4X x Z-Wave.Me Key Fob, é conveniente que seja pronto e funcione, é inconveniente que nem todas as funções estejam lá que você deseja. A única questão não resolvida foi a iluminação dos cantos no centro, é necessário cobri-lo com filme de papel alumínio, mas por enquanto acho que é muito melhor esculpir o papel no estojo interno ou em plexiglass.

Além disso, planeja mudar para um módulo Z-Uno livremente programável para a implementação de toda a lista de desejos de software.