Zwischenbericht - projekt elektronik, schlafphasenwecker

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Zwischenbericht - projekt elektronik, schlafphasenwecker
Schlafphasenwecker
Zwischenbericht
Gruppe Ele41
Raoul Kana; 309213
Zohreh sadat Ahmadi Zadeh; 318387
Li Wang; 312631
Adil El Hal; 209799
Mazin Babikir; 202187
Florian Unverferth; 301786
Peer Günther; 302220
Tilo Sommerwerk; 215852
Betreuer: Bennet Fischer
Inhaltsverzeichnis
1
2
Der Schlafphasenwecker
Die Idee entsteht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.2
Die Schlafphasen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.3
Funktionsweise
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Armband
3
2.1
Der Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.2
Peripherie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.3
2.4
3
2
1.1
2.2.1
Transceiver
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.2.2
Beschleunigungssensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
AVR-Platine
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1
Beschreibung
2.3.2
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
6
Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
Ladestation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
2.4.1
Beschreibung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
2.4.2
Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
Basisstation
11
3.1
Aufbau
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
3.2
Bedienung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
3.3
Schaltung
13
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
Entwicklungsstand
15
5
Nächste Schritte
15
1
1
Der Schlafphasenwecker
1.1
Die Idee entsteht
Die Gruppe Ele41 möchte einen Schlafphasenwecker bauen. Bis es zu dieser
Entscheidung kam, gab es verschiedene Vorschläge aus unseren Reihen. Letztlich
haben wir uns für den Schlafphasenwecker entschieden, weil die anfallenden
Aufgaben gut einteilbar sowie das Gesamtsystem in Bezug auf die Komplexität
relativ gut skalierbar ist. Darüber hinaus nden wir das Thema spannend, so
dass die Motivation bis zum jetzigen Stand nicht nachgelassen hat.
1.2
Die Schlafphasen
Um zu beschreiben, wie der Schlafphasenwecker funktionieren soll, muss man
zunächst wissen, was überhaupt mit Schlafphasen gemeint ist. Als Schlafphasen
werden die einzelnen Abschnitte des Schlafes bezeichnet, in denen ein Mensch
unterschiedliche Schlaftiefen aufweist.
Es gibt vier Stadien des Schlafes, dabei spielen die Fast-Wach-Momente insbesondere um den REM-Schlaf (Rapid Eye Movement) herum eine besondere
Rolle für unser Projekt.
Während des REM-Schlafes bewegt sich der Schlafende so gut wie gar nicht,
wobei sich allerdings die Augen sehr viel bewegen, was den Fachbegri geprägt
hat. Dem gegenüber stehen die Fast-Wach-Momente, in denen sich der Schlafende vergleichsweise viel bewegt.
1.3
1
Funktionsweise
Der Schlafphasenwecker beruht auf der Erfahrung, dass sich der Aufzuweckende deutlich ausgeschlafener fühlt, wenn er aufgeweckt wird, während er sich
auÿerhalb des REM-Schlafes und in einem der Fast-Wach-Momente bendet.
Dies festzustellen ist Aufgabe eines Armbandes, welches anhand von Bewegungssensoren ermittelt, wie stark sich der Schlafende bewegt. Diese Daten
werden an eine Basisstation (der eigentliche Wecker) übermittelt. Die Basisstation berechnet mit Hilfe der übermittelten Daten, in welcher Phase sich der
Schlafende bendet.
Ein programmiertes Zeitfenster bestimmt, in welcher Zeit der Schlafende geweckt werden darf. Wird in diesem Zeitfenster kein Moment festgestellt, in dem
die zu weckende Person fast wach ist, so wird der Weckalarm zum Ende des
Fensters in jedem Fall ausgelöst. Der Weckalarm besteht dabei aus der Vibration des Armbandes. Die Kommunikation zwischen Basisstation und Armband
wird mit einer Funkverbindung realisiert und die Zeit des Weckers wird mit
einer Funkuhrkomponente eingestellt.
1 http://www.arte.tv/de/geschichte-gesellschaft/schlaf/826706,CmC=838518.html
2
2
Armband
Die Funktionen des Armbandes bestehen in der Detektion von Bewegungen des
Trägers, in deren Verarbeitung und Weitergabe an die Basisstation über eine
2,4GHz Funkverbindung und das Wecken des Trägers durch einen Vibrationsalarm, der durch die Basis ausgelöst wird. Als Stromquelle wird ein LithiumPolymerakku verwendet, für den eine Ladestation in der Basis integriert ist.
2.1
Der Aufbau
Das Armband besteht aus 3 einzelnen Platinen, welche über Flachbandkabel
verbunden sind. Diese Aufteilung hat hauptsächlich ergonomische Gründe, da
eine gröÿere Leiterplatte sich schlecht um ein Handgelenk wickeln lässt.
In Abbildung 1 ist zu sehen, dass die erste Platine den Beschleunigungssensor beherbergt, welcher über ein serielles Interface mit der zweiten Platine
kommuniziert. Die zweite Platine enthält die Spannungsversorgung, den Vibrationsmotor und einen Mikrocontroller zur Verarbeitung der Daten. Die letzte
Platine enthält die Transceiverschaltung, welche ebenfalls über ein serielles Interface mit der zweiten Platine kommuniziert.
Abbildung 1: Blockschaltbild des Armbandes
2.2
Peripherie
Um die Aufgabenverteilung zu optimieren, haben wir uns entschieden, den Transceiver, der vom Armband und der Basisstation benötigt wird sowie den Beschleunigungssensor extra zu betrachten.
3
2.2.1
Transceiver
Der Transceiver ist für die Kommunikation zwischen dem Armband und der
Basisstation unerlässlich und bendet sich demnach am Armband sowie in der
Basisstation. Über die Antenne werden die Signale seriell übertragen. Abbildung 2 und 3 zeigen den Schaltplan und das Layout vom Transceiver.
Abbildung 2: Schaltplan des Transceivers
Abbildung 3: Layout des Transceivers
4
2.2.2
Beschleunigungssensor
Der Beschleunigungssensor reagiert auf die Bewegungen des Trägers und sendet
ein Signal zum AVR des Armbandes. Anhand der Bewegungen wird festgestellt
in welchem Zustand sich die schlafende Person bendet. In Abbildung 4 und 5
sind der Schaltplan und das Layout des Beschleunigungssensors zu nden.
Abbildung 4: Schaltplan und Layout des Beschleunigungssensors
Abbildung 5: Schaltplan und Layout des Beschleunigungssensors
5
2.3
2.3.1
AVR-Platine
Beschreibung
Das Zentrum dieser Platine bildet der Mikrocontroller ATMEGA 88/V. Dieser
wurde ausgewählt, weil er in einem Spannungsbereich von 1,8V bis 5,5V arbeitet
und auch stromsparender ist als der ATMEGA 88. Aus Platzgründen wird die
TQFP- Variante verwendet. Er bietet des Weiteren ein SPI-Interface, serielle
Interfaces für die Kommunikation und die Debugschnittstelle, einen internen
Oszillator und genügend freie Ein- und Ausgänge.
Der integrierte Oszillator ist in unserem Fall ausreichend, da eine genaue
Taktung auf dem Armband nicht notwendig ist. Die Basisstation arbeitet mit
einer funkgenauen Zeitbasis und kann so die übertragenen Bewegungen zeitgenau erfassen.
Der Vibrationsmotor stammt aus einem Mobiltelefon. Versuche haben ergeben, dass dieser bei einer Spannung 2V und einem Strom von 40mA eine
ausreichende Vibration aufweist. Die Stromversorgung wird von einem LithiumPolymer-Akku übernommen.
In Abbildung 6 ist der Schaltplan der AVR-Platine zu sehen.
6
Abbildung 6: Schaltung der AVR Platine
7
2.3.2
Schaltung
Die Batterie liefert am Eingang der Schaltung 3,7V Gleichspannung. Da in der
folgenden Schaltung 3,3V verwendet werden sollen, wird ein Spannungsregler
LE33CZ verwendet. Die Kondensatoren C3 und C4 dienen der Störungsunterdrückung und Spannungsstabilisierung. Die Schaltung besitzt 2 Pfostensteckverbindungen als Schnittstelle zu der Transceiver- und der Sensorplatine. Die
Belegung ist in Tabelle 1 dargstellt.
Pin
Transceiver
Sensor
1
3,3V
3,3V
2
GND
GND
3
IRQ
CS
4
MISO
SCL
5
MOSI
SDI
6
SCK
SDO
7
CSN
RDY
8
CE
Tabelle 1: Pinbelegung Sensor und Transceiver
Es gibt auÿerdem noch eine Schnittstelle für den In-System-Programmer
(ISP), welche die Pinbelegung aus Tabelle 2 hat.
Pin
Belegung
1
MOSI
2
VCC
3
LED
4
GND
5
RESET
6
GND
7
SCK
8
GND
9
MISO
10
GND
Tabelle 2: Pinbelegung ISP
Der Vibrationsmotor wird von einem MOSFET-Transistor als Schalter mit
Strom versorgt, welcher durch einen der digitalen Ausgänge (PD5) des Mikrocontrollers geschaltet wird. Die Eingangskapazität (1,6nF) des MOSFETs ist
so gering, dass der Widerstand R3 nur zur Sicherheit als Strombegrenzer eingeplant wurde. Der Vorwiderstand R1 des Vibrationsmotors dient zur Begrenzung
des Stromes auf 40mA bei 2V:
8
UR1 = UV ersorgung − UV ibra = 3, 3V − 2, 0V = 1, 3V
1, 3V
R1 =
= 32, 5Ω
0, 04A
Die Pinbelegung des Microcontrollers ist in Tabelle 3 deniert.
Pin
Verwendung
PC0
Select-Signal Funk
PC1
Funk CE
PD0
Debugschnittstelle
PD1
Debugschnittstelle
PD2
Interrupt-Signal Transceiver
PD3
Interrupt-Signal Sensor
PD4
Select-Signal LIS
PD5
Steuerung Vibrationsmotor
PB3
ISP/Funk/LIS
PB4
ISP/Funk/LIS
PB5
ISP/Funk/LIS
Tabelle 3: Pinbelegung AVR
Andere Pins wie VCC, GND, Reset wurden gemäÿ Datenblatt beschaltet
und das Layout ist in Abbildung 7 zu sehen.
Abbildung 7: Layout der AVR Platine
9
2.4
2.4.1
Ladestation
Beschreibung
Aufgabe der Ladestation ist es, den im Armband bendlichen Lithium-Polymerakku
aufzuladen. Dazu wird der Akku, mittels einer Steckverbindung vom Armband
abzogen und an die Ladestation angeschlossen.
Auf der Platine wird zuerst die Betriebsspannung von 12V auf 5V reduziert.
Dazu wird ein Spannungsregler
µ
A 7805 verwendet.
Der verwendete Akku stammt aus dem Modellbau und hat eine Spannung
von 3,7V und eine Kapazität von 50mAh. Er ist damit ausreichend für die
Stromversorgung des Armbandes für mindestens eine Nacht.
Den Ladevorgang steuert der IC MAX1811, welcher den Lithium-Polymerakku
mit 100mA Ladestrom automatisch auädt und mittels einer LED das Ladeende
anzeigt. Der Schaltplan ist Abbildung 8 zu entnehmen.
Abbildung 8: Schaltplan der Ladestation
2.4.2
Schaltung
Der Eingang der Schaltung ist vorgesehen für 8-15V Gleichspannung. Diese werden durch einen Spannungsregler
µ
A7805 auf 5V gebracht. Die beiden Kon-
densatoren dienen der Störungsunterdrückung. C1 ist zur Unterdrückung von
hochfrequenten Störungen auf dem Eingangssignal und C2 ist ein Elektrolytkondensator und dient zur Spannungsstabilisierung.
Den Kern der Platine bildet der Laderegler MAX1811. Über die Dip-Schalter
S1 können die Parameter des MAX1811 eingestellt werden. Schalter 1 stellt den
Ladestrom ein, wobei an 500mA und aus 100mA bedeuten. Mit Schalter 2
stellt man die Ladespannung ein, wobei an 4,2V und aus 4,1V entspricht.
Da das Signal EN auf 5V liegt, ist der Ladechip immer aktiviert und betriebsbereit. Die LED1 zeigt an, dass der Ladevorgang beendet ist. Die LED ist als
low-current-Variante ausgeführt und der Vorwiderstand berechnet sich daher
aus:
10
ULED = 1, 9V
I = 2mA
UW iderstand = 5V − 1, 9V = 3, 1V
UW iderstand
3, 1V
R=
=
= 1, 5kΩ
I
0, 002A
Die Widerstände R2 und R3 dienen als Pull-down-Widerstände. Die Batterie
wird durch eine Steckverbindung SL2 mit der Ladeschaltung verbunden.
In Abbildung 9 bendet sich das Layout zur Ladestation.
Abbildung 9: Layout der Ladestation
3
Basisstation
Die Basisstation ist das Herzstück des Wecksystems. Es verarbeitet die empfangenen Daten und gibt nach vorangegangener Berechnung gegebenenfalls die
Anweisung den Alarm auszulösen.
3.1
Aufbau
Die Basisstation besteht aus einem Microcontroller zu Steuerung derselben, Display und Taster zur Ein- bzw. Ausgabe von Informationen, sowie den Transceiver, der bereits in Abschnitt 2.2.1 Transceiver diskutiert wurde. Abbildung 10
zeigt den Aufbau der Basisstation.
3.2
Bedienung
Die Schnittstelle zum Menschen besteht aus fünf Schaltern, wobei einer alleine
für Reset zuständig ist. Die anderen vier Schalter dienen z.B. der Eingabe von
11
Abbildung 10: Aufbau der Basisstation
einem Zeitfenster, Rückgabe von gewonnenen Daten oder Anzeigen der Uhrzeit.
Die Abbildung 11 zeigt das Zustandsdiagramm für die Bedienung der Basisstation. Mit den Pfeiltasten kann man so innerhalb verschiedener Modi navigieren,
während die Taster Enter und Cancel für jeweiliges Fort- oder Zurückschreiten genutzt werden.
12
Abbildung 11: Zustandsdiagramm der Basisstation
3.3
Schaltung
Der Schaltplan sowie das Layout sind den Abbildungen 12 und 13 entnehmbar.
13
Abbildung 12: Schaltplan der Basisstation
14
Abbildung 13: Layout der Basisstation
4
Entwicklungsstand
Die Entwicklung ist in dem Stadium, in dem die Layouts weitgehend fertig sind
und wir fehlende Bauteile nachbestellen können. Auÿerdem ist der grobe Ablauf
der Programme speziziert.
5
Nächste Schritte
Die nächsten Aufgaben werden sein: die Mikrocontroller müssen programmiert,
die Leiterplatten bestückt sowie gelötet werden. Darauf folgt eine Testphase, in
der Fehler gefunden und entfernt werden sollen. Alles in allem bendet sich das
Projekt auf einem guten Wege und im Zeitplan. Sehr zeitintensiv wird in naher
Zukunft die Programmierung der Microcontroller werden.
15

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