Symulator dźwięku bijącego serca

Bum-bum, bum-bum, bum-bum… Każdy z nas zna ten odgłos. To dźwięk bijącego serca. Rytmiczny, jednostajny, monotonny, można wręcz powiedzieć: usypiający. Niemowlaki lubią takie dźwięki. Wsłuchują się w nie i zasypiają, śniąc swoje niemowlęce sny. Czemu by im tego nie ułatwić? Wszak wyspane dziecko to spokojniejsze dziecko – sprawdziłem tę zasadę w praktyce.

Dla współczesnej elektroniki wygenerowanie dźwięku, który choć trochę przypomina znane wszystkim „bum-bum”, to bułka z masłem. Oczywiście warto zadbać o bezpieczeństwo takiego urządzenia: powinno być ono zasilane niskim napięciem, z odseparowaniem od sieci elektrycznej. Nie powinno też pobierać zbyt dużo energii z baterii. Ani kosztować zbyt wiele. Mieszanka niemożliwa do zrealizowania? Wcale nie!

Budowa

Schemat ideowy omawianego układu znajduje się na rysunku 1. Za generowanie impulsów odpowiada prosty, tani i dobrze znany mikrokontroler ATtiny13A. Przyciskami S1…S3 można zadać żądany czas wytwarzania dźwięku. Aby układ był bardziej odporny na zakłócenia elektromagnetyczne, wejścia procesora, które sprawdzają stan styków tych przycisków, zostały dodatkowo podciągnięte rezystorami zawartymi w strukturze drabinki RN1. Dotyczy to również wejścia zerującego mikrokontroler.

Rysunek 1. Schemat ideowy układu symulatora dźwięku bijącego serca

Te wyprowadzenia MCU, które mogą posłużyć do jego zaprogramowania w układzie – bez wyciągania z podstawki – zostały wyprowadzone na złącze J1. Kondensatory C1 i C2 zmniejszają tętnienia napięcia zasilającego mikrokontroler, które mogą pojawiać się podczas jego pracy.

Dźwięk imitujący brzmienie bijącego serca jest generowany z unipolarnej fali prostokątnej, wytwarzanej przez mikrokontroler na jednym z wyjść cyfrowych. Szeregowe włączenie kondensatora C3 powoduje jego zróżniczkowanie i  tym samym odcięcie drogi przepływu prądu dla składowej stałej, co zmniejsza zużycie energii z baterii. Szeregowe połączenie rezystora R1 i potencjometru P1 ustala głośność oraz uniemożliwia przepływ przez wyjście mikrokontrolera prądu o zbyt dużym natężeniu, w efekcie spowalniając przeładowywanie C3.

Równolegle do cewki głośnika, która powinna zostać podłączona do pól lutowniczych PAD1 i PAD2, zostały włączone elementy tworzące filtr górnozaporowy. W dziedzinie wysokich częstotliwości blokadę tę stanowi kondensator C6, który zwiększa czas narastania napięcia na cewce głośnika. Tę samą funkcję pełni kondensator bipolarny o wypadkowej pojemności około 110 μF, który składa się z dwóch kondensatorów elektrolitycznych C4 i C5. Jednak wpływ tego kondensatora ulega zmniejszeniu, ponieważ jego szeregową impedancję zwiększa rezystor R2. Bez wspomnianych elementów filtracyjnych głośnik wydawałby z siebie bardzo głośne i nienaturalnie brzmiące trzaski.

Montaż i uruchomienie

Układ został zmontowany na jednostronnej płytce drukowanej w kształcie serca, której obrys mieści się w prostokącie o wymiarach 114 mm × 105,5 mm. Wzór jej ścieżek oraz schemat montażowy pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Schemat montażowy i wzór ścieżek płytki

Montaż najlepiej rozpocząć od elementów o najmniejszej wysokości obudowy, czyli rezystorów R1 i R2. Pod mikrokontroler US1 proponuję zastosować podstawkę, aby ułatwić jego programowanie oraz wymianę w razie uszkodzenia. Kondensatory C3…C6 należy wlutować na nóżkach na tyle długich, aby dało się je położyć na powierzchni laminatu. Złącza J1 można nie lutować, jeżeli mikrokontroler byłby programowany w zewnętrznym programatorze, wyposażonym we własną podstawkę. W pełni zmontowany układ prototypowy można zobaczyć na fotografii tytułowej.

Na etapie uruchamiania konieczne jest zaprogramowanie pamięci Flash mikrokontrolera dostarczonym wsadem. Wartości bitów zabezpieczających pozostają niezmienione względem ustawień fabrycznych i powinny wynosić:

Szczegóły są widoczne na rysunku 3, który zawiera widok okna konfiguracji tychże bitów w programie BitBurner. Częstotliwość taktowania rdzenia mikrokontrolera będzie wynosiła zaledwie 1,2 MHz, co okazuje się wystarczające w tym zastosowaniu. Z kolei brak działania Brown-Out Detector przyczyni się do zwiększenia energooszczędności urządzenia.

Rysunek 3. Konfiguracja bitów zabezpieczających

Do płytki drukowanej należy podłączyć głośnik oraz koszyk baterii, które będą zasilały układ. Najlepiej, aby głośnik miał impedancję 8 Ω i możliwie wysoką skuteczność, co przełoży się na wyższy poziom głośności, jaki można uzyskać. Dla przetwornika zostały przeznaczone pola lutownicze PAD1 i PAD2. Sam głośnik, po przylutowaniu cienkimi przewodami, można przymocować np. z tyłu płytki, pamiętając o tym, by metalowy kosz nie dokonał zwarć na płytce.

Układ nadaje się do zasilania napięciem 3 V (dwie baterie AA lub AAA) lub 4,5 V (trzy ogniwa). Wyższe napięcie przekłada się na zwiększenie głośności maksymalnej układu – z tego powodu zalecałbym użycie koszyka na trzy baterie, podłączonego do pól lutowniczych PAD3 i PAD4. Taki koszyk nie wymaga wyłącznika i również można go przykleić z tyłu płytki, co dodatkowo ułatwiają otwory znajdujące się przy polach lutowniczych (pozwalające na przewleczenie przez nie przewodów poprowadzonych z tylnej strony płytki, ponieważ zwiększa to wytrzymałość tego typu połączeń). Podłączenie jest widoczne na rysunku 4.

Rysunek 4. Schemat podłączenia układu

Układ został tak zaprojektowany, by pobierać jak najmniej energii z baterii, toteż przez większość czasu mikrokontroler pozostaje w stanie spoczynku. Pobór prądu w stanie czuwania nie przekracza 100 nA, natomiast podczas wydawania dźwięku wynosi średnio ok. 0,6 mA (przy napięciu 3 V) – lub ok. 0,8 mA (przy napięciu 4,5 V). Komplet baterii wystarczy zatem na wiele godzin „bum-bumania” przy dziecięcym uchu. Potencjometrem P1 można regulować głośność generowanych dźwięków.

Obsługa układu jest niezwykle prosta: po włożeniu baterii układ przechodzi w stan spoczynku. Kiedy wciśniemy jeden z przycisków S1…S3, układ uruchamia się na czas opisany pod przyciskiem, odpowiednio: 15 min, 30 min lub 60 min. Jeżeli w ciągu 15 s od włączenia nastąpi drugie wciśnięcie tego samego przycisku, układ wyłączy się. Jeżeli zaś upłynęło więcej czasu, to wciśnięcie przycisku spowoduje ponowne załadowanie licznika wartością odpowiadającą czasowi, na który wskazuje ów przycisk. Przykładowo: wciśnięto S1 (15 min), po upływie 10 min okazało się, że dziecko dalej jest niespokojne, więc wciśnięto S3 (60 min). Układ będzie łącznie działał przez 70 min. Wyłączenie przed czasem również jest możliwe: wystarczy jeden z przycisków wcisnąć jeden raz (załadowanie pełnego czasu do odliczania), a zaraz potem wcisnąć go ponownie – układ potraktuje to zdarzenie tak samo, jakby został dopiero co wybudzony, nie zważając na fakt, że wcześniej już pracował.

Wybudzenie mikrokontrolera ze stanu uśpienia jest możliwe po zwarciu styków S1…S3, ponieważ tak zostały skonfigurowane zewnętrzne przerwania. Jeśli opisana procedura przebiegnie prawidłowo, a do pamięci zostanie załadowany czas do odliczania, uruchomiony zostaje układ watchdog, który generuje przerwania co 125 ms. To one odpowiadają za cykliczne wybudzanie mikrokontrolera w trakcie generowania dźwięku. 8 takich przerwań to odliczenie pełnej sekundy. Po upływie całego zaprogramowanego czasu, watchdog jest wyłączany i mikrokontroler znowu przechodzi w stan pełnego uśpienia.

Opisany wcześniej filtr RC bierze udział w formowaniu impulsów pobudzających cewkę głośnika. Ciąg takich impulsów jest widoczny na rysunku 5.

Rysunek 5. Ciąg impulsów zasilających cewkę głośnika

Na każdych osiem przerwań od watchdoga dwa ustawiają wyjście mikrokontrolera w stanie wysokim, zaś przez pozostałych sześć – jest ono w stanie niskim.

Zbocze narastające owego sygnału daje impuls o polaryzacji dodatniej, zaś opadające – impuls o polaryzacji ujemnej. To tworzy charakterystyczne „bum-bum”, z wyraźnie dłuższą przerwą między tymi impulsami.

Rysunek 6. Pojedynczy sygnał „bum-bum”

Zbliżenie na wspomniane impulsy zawiera rysunek 6, na którym widać, że wierzchołki owych impulsów są zaokrąglone wskutek działania filtrów dolnoprzepustowych. Gdyby nie one, z głośnika wydobywałyby się donośne, drażniące trzaski.

Michał Kurzela, EP