Дверной звонок на ATtiny15

Очень часто, покупая вещи, мы возлагаем на них определенные надежды, но иногда совершенно неожиданно они становятся поводом для скандала. Именно это произошло с автором, когда ему пришлось каждую неделю приобретать новый дверной звонок китайского производства. На четвертом звонке, наконец, стало ясно, что китайцы народ хороший, но вот их товары... Наша же промышленность, к сожалению, забыла о таких мелких проблемах потребителей. Схем музыкальных звонков очень много, но простых и многофункциональных автор не нашел, поэтому ему пришлось самому разработать простой и надежный звонок для создания уюта в доме. Начинающие микросхемотехники могут легко повторить эту схему и дополнить программу на свой вкус.

Для музыкального звонка был выбран простейший микроконтроллер ATtiny15 от компании Atmel. Малое количество выводов, небольшой корпус, многофункциональность — все эти характеристики очень привлекательны для микроконтроллерного моделирования. Основная идея заключалась в дублировании китайского звонка с добавлением схемы генерирования музыки, а так же в реализации ее полностью автономной, независимой работы. Кроме того, был организован контроль питающей сети. Как только питание сети исчезает, схема начинает потреблять ток от электролитического конденсатора, а при падении напряжения ниже нормы контроллер прерывает программу и переходит в "спящий" режим.

Схема может работать как отдельное устройство или быть подключенной в точках А и В к схеме домашнего звонка. Питание осуществляется от сети переменного напряжения 220 В. Однополупериодный выпрямитель с ограничением по току питает схему мощного стабилитрона и стабилизатора напряжения. Цепь понижения напряжения сети до уровня 9 В (R1, СЗ) рассчитана на ток потребления 40 мА. Ток стабилизации стабилитрона составляет 20 мА — столько же потребляет стабилизатор напряжения 5 В, питающий микроконтроллер в течение работы устройства. В момент включения основной ток потребляет конденсатор С2, но этот ток ограничен реактивным сопротивлением С2 и сопротивлением R1. Конденсатор C2 так же выполняет функцию источника тока в момент отключения питания схемы, при этом D2 запирается, и потребителями остаются R5, R4, LED1, R3, Dl, R2, IC2.

При снижении напряжения на С2 до уровня менее 9 В стабилитрон D1 уменьшает потребление тока до минимума и отключается. Конденсатор С4 сглаживает высокочастотные импульсные помехи, проходящие из сети в схему питания. Конденсаторы R5 и R4 составляют делитель напряжения на стабилитроне D1 (необходим для измерительного канала микроконтроллера). Измерительный канал не содержит схему выборки и хранения, а так же интегратора и фильтра верхних частот, поскольку эти функции выполняют фильтрующие элементы питания С2, С4. Функцию интегратора выполняет ограничительный стабилитрон D1.

Микроконтроллер включается, как только подается напряжение питания. При этом светится светодиод LED1. При падении напряжения на стабилитроне D1 до уровня менее 9 В микроконтроллер переходит в "спящий" режим. Как только на микроконтроллер поступает напряжение питания, он формирует низкочастотные сигналы музыкальных мелодий на пъезоизлучателе. Для лучшего воспроизведения мелодии можно использовать динамик, но при этом для него необходимо обеспечить усилитель по току (на микросхеме или на транзисторе) и увеличить емкость С2.

Программа

Программа разработана для микроконтроллера с тактовой частотой 4 МГц. Ее выполнение при включении питания начинается с вектора прерывания, по которому она переходит в заданную вектором подпрограмму. При сбросе вектор прерывания переводит программу к метке RESET. Далее программа выполняет проверку питающего напряжения. Эту функцию выполняет АЦП при помощи одиночного преобразования. Программа проверяет напряжение питания схемы, и в случае падения его ниже уровня 0,89 В микроконтроллер переходит в "спящий" режим.

После успешного прохождения проверки питания значения всех переменных сбрасываются в ноль, а так же настраивается порт ввода-вывода и два таймера: ТО и Т1. Таймер ТО предназначен для установки времени звучания мелодии, а таймер Т1 — для установки частоты выбранной ноты. Таймер Т1 настроен на синхронизацию от тактового генератора микроконтроллера с коэффициентом деления 1/64. Частота ноты задается путем ввода длительности полупериода. При прохождении цикла, состоящего из деления тактовой частоты внутреннего генератора и инвертирования выходного сигнала дважды, формируется период с заданной частотой.

В основе программы заложено использование таймера Т1 совместно с альтернативной функцией OC1A-вывода порта РВ1, т.е. как только таймер выполнил заданный программой счет импульсов, на вывод РВ1 выдается единица. В следующий цикл Т1 обнуляется и повторяет счет импульсов до заданного значения, по достижению которого сигнал на выводе РВ1 инвертируется. С каждым последующим счетом значение на РВ1 инвертируется. Разобраться в расчете установленных коэффициентов для нот первой, второй и третьей октавы (диез и бемоль автор не рассматривал из-за ограниченного ресурса микроконтроллера) поможет табл. 1. Выходные данные: тактовая частота — 4000000 Гц, коэффициент деления — 2.

Таблица 1. Расчет коэффициентов для нот первой, второй и третей октавы.

Установка таймера Т0 определяет длительность ноты. Т0 настроен на синхронизацию от тактового генератора микроконтроллера с коэффициентом деления 1/1024. К сожалению, разрядность этого таймера — только 8 разрядов. Даже с максимальным коэффициентом деления тактовой частоты выйти на необходимую длительность ноты (около 0,1-0,5 с) очень сложно. По этой причине дополнительно задается цикл работы Т0 до 64 раз. Эта функция повторяется многократно, пока Т0 не остановит звучание ноты и не перейдет к следующей ноте.

Установка необходимых коэффициентов выполняется с помощью поочередного опроса памяти программ. В конце программы задается частота ноты и длительность звучания. Во избежание операций с 16-разрядными данными организована отдельная обработка 8-разрядных данных (операции с двухбайтным словом предназначены для дальнейшей модернизации программы). После воспроизведения последней ноты микроконтроллер переходит в "спящий" режим.

Мелодия звонка ограничена гаммой нот от "до" до "си". Можно запрограммировать любую гамму — для этого в конце программы есть много свободного места. Можно изменить порядок чтения нот и получить интересную мелодию.

Обратите внимание на то, что таблицу длительности нот и частоту ноты можно прочитать только с помощью команды LPM микроконтроллера. Эта команда в версии ATtiny15 по сути — единственная, выполняющая функции косвенного чтения данных из памяти в регистр R0. Кроме того, существует ограничение стека по нижнему уровню. Стек поддерживает не более трех вложений. Автор проверил в симуляторе AVR Studio 4 вложение стека на уровне 3, и обнаружил сбой программы, поскольку команды условного перехода тоже используют стек. Программа теряет функциональность и последовательность. Учитывая эти замечания, исходная "прошивка" имеет небольшой объем (для микроконтроллера Tiny 15), но проверена и вполне работоспособна.

Совет

При модернизации программы автор не советует вставлять подпрограммы в подпрограммы.
По окончанию проигрывания мелодии микроконтроллер переходит в "спящий" режим независимо от питания схемы.

Настройка схемы

Для проверки схемы питание +9 В ("плюс" — к катоду D1, "минус" — на "землю") можно подать от независимого источника к стабилитрону D1. Мелодия начинает воспроизводиться сразу же при подключении питания.

Проверить схему при питании от сети можно без микроконтроллера. Для этого необходимо подключить нагрузку к выходу IC2. В качестве нагрузки можно использовать резистор номиналом 300 Ом и мощностью 1 Вт. При отключении схемы раньше, чем набирается напряжение питания, можно увеличить номинал резистора R5 в два раза или установить дополнительно конденсатор 1000 пФ (10 В) параллельно R5 (подбирается экспериментально).

Если мелодия имеет низкочастотную тональность, то используемый микроконтроллер настроен на внутреннюю тактовую частоту 1,6 МГц. Можно увеличить тональность, добавив к выводам 2 и 3 микроконтроллера (РВ4, РВ3) кварцевый резонатор 4 МГц и корректирующие конденсаторы по 100 пФ. При нестабильном запуске программы необходимо установить конденсаторы С5, R6.

В перспективе, схему можно дополнить фотодатчиком для регулировки уровня звука в ночное время, а так же сенсором открытия двери для выключения мелодии при открытии двери или при включении света в прихожей (S2). Оставшиеся выводы микроконтроллера можно задействовать для реализации многоголосного музыкального сопровождения, подключив еще два пьезоизлучателя. В программе эти функции не реализованы.

Автор Кравченко А. В.