Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2014
Вадим Колесник, Тирасполь
Android Bluetooth RGB controller - простое аппаратно-программное решение для управления RGB светодиодной лентой или RGB светодиодами посредством Android-устройства с поддержкой Bluetooth
Статья носит ознакомительный характер, и в ней я постараюсь максимально подробно описать процесс создания простой системы, с помощью которой можно удаленно управлять RGB светодиодной лентой (или RGB светодиодами) посредством любого Android-устройства с интегрированным Bluetooth-модулем (Рисунок 1). Материал будет полезен не только начинающим радиолюбителям, осваивающим микроконтроллеры, но и профессионалам, интересующимся простым способом реализации беспроводного обмена данными Android-устройств с микроконтроллерными системами.
 |
|
| Рисунок 1. | Внешний вид системы управления RGB светодиодной лентой по Bluetooth интерфейсу. |
Общие сведения, состав аппаратной части и принципиальная схема.
Отличительной особенностью данного проекта является простота аппаратной и программой части системы, в состав которой входят Bluetooth-контроллер, портативное Android-устройство с установленным приложением (смартфон, планшет), выполняющее функции пульта ДУ, и источник питания 12 В/3 А (Рисунок 2). В статье мы рассмотрим в некотором роде демонстрационную версию системы, раскрывающей основные ключевые моменты аппаратной и программной реализации.
Bluetooth-контроллер представляет собой компактное устройство, состоящее из AVR микроконтроллера (МК) Atmel ATmega8, миниатюрного Bluetooth-модуля HC-05 [4], силовых N-канальных MOSFET ключей, интегральных регуляторов напряжения, светодиодов статуса и нескольких пассивных элементов.
 |
|
| Рисунок 2. | Блок-схема системы управления RGB светодиодной лентой по Bluetooth интерфейсу. |
Программа микроконтроллера очень проста и разработана в интегрированной среде разработки AVR Studio 4 на языке Си.
Программное приложение для Android-устройства разработано в несложном и легким в освоении, но при этом достаточно функциональном графическом редакторе MIT App Inventor Beta.
Основные характеристики системы:
- аппаратная часть (Bluetooth-контроллер):
- доступный, дешевый и простой в применении Bluetooth-модуль HC-05;
- реализованные на МК 3 канала 8-разрядной ШИМ для управления светодиодами;
- в качестве силовых ключей используются N-канальные MOSFET в корпусе для поверхностного монтажа;
- автономная работа – не требуется постоянная связь по Bluetooth с Android-устройством;
- дальность связи 10-15 м;
- напряжение питания 12 В;
- ток потребления Bluetooth-контроллера (без светодиодной ленты):
- Bluetooth-модуль в режиме поиска: 55 … 60 мА;
- при установленном соединении с Android-устройством и отсутствии команд: 22 … 27 мА;
- прием и обработка команды: 38 … 42 мА;
- два светодиода для индикации режима работы Bluetooth-контроллера;
- возможность реализации 10-разрядного ШИМ управления;
- возможность реализации управления различными световыми эффектами;
- простое приложение для Android-устройства:
- понятный и достаточно информативный графический пользовательский интерфейс;
- отображение МАС адреса подключенного Bluetooth-контроллера;
- возможность ручной установки MAC-адреса;
- сервисные сообщения об ошибках соединения с Bluetooth-контроллером;
- кнопки быстрого выбора цвета свечения;
- возможность ручной установки цветовой гаммы;
- информирование о состоянии подключения;
- возможность наращивания функционала (потребуется модернизация программы микроконтроллера).
Изначально для разработки и отладки системы автор использовал МК серии ATmega128, установленный на отладочную плату собственной разработки. Принципиальная схема доступна для скачивания в дневнике автора на форуме сайта rlocman.ru [3]. Такой подход был обусловлен большим количеством свободных портов МК, достаточным объемом памяти и, самое главное, наличием в микроконтроллере отладочного интерфейса JTAG. При необходимости автор предоставит принципиальную схему и прошивку для этого МК.
Принципиальная схема Bluetooth-контроллера на микроконтроллере ATmega8 изображена на Рисунке 3, список примененных электронных компонентов приведен в Таблице 1. Схема и печатная плата разрабатывались в системе Proteus 7.7 SP2 [1]. Минимальное количество компонентов позволяет собрать схему на макетной плате или навесным монтажом.
| Таблица 1. | Список использованных компонентов | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
|
| Рисунок 3. | Принципиальная схема Bluetooth-контроллера RGB светодиодной ленты. |
Bluetooth-модуль HC-05 подключается к МК ATmega8 посредством интерфейса UART (порты PD0/RXD и PD1/RXD). О текущем режиме работы Bluetooth-модуля (поиск, установление соединения, режим AT команд) пользователя информируют два светодиода D1 и D2.
Стоит отметить, что в продаже доступны несколько вариантов Bluetooth-модулей, отличающихся конструктивным исполнением (Рисунок 4) и прошивкой. Чаще всего встречаются модули установленные на переходную плату с собственным регулятором напряжения, светодиодами статуса и выводами для подключения к МК. В авторском варианте схемы и печатной платы используется Bluetooth-модуль без переходной платы, который подключается к основной плате Bluetooth-контроллера с помощью гибкого шлейфа (Рисунок 5). Другими словами, для такого решения потребуются установка микросхемы регулятора напряжения 3.3 В, светодиодов статуса и разъема для подключения к МК.
 |
|
| Рисунок 4. | Внешний вид Bluetooth-модуля HC-05, установленного на переходную плату с регулятором напряжения и разъемом для подключения. |
 |
|
| Рисунок 5. | Bluetooth-модуль HC-05 в авторском варианте подключается к плате с помощью гибкого шлейфа. |
На принципиальной схеме участок с регулятором напряжения 3.3 В на микросхеме серии UTC1117Y33 (или аналогичной, например, CYT8117T33) отмечен надписью «Опционально» именно из-за этих конструктивных особенностей Bluetooth-модулей. Если вы используете модуль с переходной платой, то указанный участок исключается из схемы, изменяется разводка разъема подключения и, соответственно, немного видоизменяется печатная плата [2]. Распайка гибкого шлейфа для подключения Buetooth-модуля к разъему на печатной плате изображена на Рисунке 6.
|
|
|
| Рисунок 6. | Схема распайки Bluetooth-модуля и его подключение к разъему на печатной плате. |
Несмотря на то, что Bluetooth-модуль имеет напряжения питания 3.3 В, его цифровые входы/выходы являются 5 В совместимыми и могут подключаться к МК с напряжением питания 5 В без схем преобразования логических уровней.
Микросхема стабилизатора 5 В серии LM7805 используется для питания МК, а также в качестве предварительного понижающего регулятора напряжения для микросхемы стабилизатора 3.3 В (максимальное входное напряжение для этих микросхем не должно превышать 9 В). Однако возможно применение микросхемы серии LM78L05, ввиду того, что потребляемый МК и Bluetooth-модулем ток не превышает 65 мА. (Максимальный выходной ток LM78L05 составляет 100 мА). В ходе тестирования был выявлен незначительный нагрев микросхемы регулятора, когда Bluetooth-модуль находится в режиме поиска.
После программной инициализации периферии МК выходами 8-разрядных аппаратных блоков ШИМ назначаются порты PB1 (OC1A), PB2 (OC1B), PB3 (ОС2), к которым подключаются силовые N-канальные MOSFET ключи APM3055L с соответствующими резисторами в цепях затворов и между истоком и затвором. При работе с RGB светодиодной лентой длиной 5 м (светодиоды типоразмера 5050) нагрева силовых ключей не происходит. Также возможно применение любых мощных MOSFET в корпусе для поверхностного монтажа, например, транзисторов серии K3918. В процессе тестирования схемы в трех каналах ШИМ автор использовал указанные силовые ключи (один APM3055L и два K3918, что бросается в глаза на Рисунке 9), и разницы в установке цветовой гаммы и яркости не заметил.
Тактирование МК осуществляется от внутреннего осциллятора 8 МГц, однако на схеме указан опциональный кварцевый резонатор 11.0592 МГц. Кварцевый резонатор позволит повысить надежность обмена данными по UART. Испытания системы при тактовой частоте МК 8 МГц и скорости работы UART 9600 бит/с показали, что обмен данными ведется достаточно надежно, и сбоев обнаружено не было.
Также на схеме изображена перемычка (джампер) J1, предназначеная для перевода Bluetooth-модуля в режим AT команд с целью его конфигурирования и определения текущих параметров.
Все предлагаемые варианты печатных плат являются односторонними (Рисунки 7, 8). Коннектор для внутрисхемного программирования в авторских вариантах схем отсутствует, что связано с желанием минимизировать размеры платы, поэтому микроконтроллер устанавливается в DIP колодку, чтобы его можно было его извлечь для программирования.
 |
|
| Рисунок 7. | Вид печатной платы для схемы, изображенной на Рисунке 3. |
 |
|
| Рисунок 8. | Вид печатной платы при использовании микросхемы регулятора напряжения 78L05 и варианта Bluetooth-модуля на переходной плате. |
Внешний вид готовой платы со стороны установки smd компонентов изображен на Рисунке 9. Как видно, печатная плата изготавливалась в домашних условиях по ЛУТ-технологии без лужения печатных проводников.
 |
|
| Рисунок 9. | Вид авторского варианта печатной платы с установленными компонентами. |
Ссылки
- Принципиальные схемы и рисунки печатных плат для варианта Bluetooth-модуля без переходной платы (Proteus 7.7 SP2) – скачать
- Принципиальная схема и печатная плата для варианта Bluetooth-модуля на переходной плате (Proteus 7.7 SP2) - скачать
- Документация на модуль HC-05 и утилита для его настройки - скачать
- Отладочная плата на микроконтроллере ATmega128
- Калькулятор Fuse-битов AVR микроконтроллеров
