Developer blog / Projects / Star Trek working combadge

Project summary

The goal is to recreate a working combadge from Star Trek which chirps when the wearer touches it, just like in the movies. The badge is the one used in the Deep Space 9 and Voyager series.

Egyik hobbim az ötvösség, fém lemezeket munkálok meg és azokból rakok össze mindenféle jót. A mostani nagy projektem, hogy a Star Trek összes generációjának a jelvényét összerakjam, illetve azon belül az összes variációt is. Mint legegyszerűbbel, az új J.J. Abrams féle reboot filmek jelvényével kezdtem. Abból egyelőre nincs meg a teljes szett, úgyhogy arról majd csak egy későbbi posztban lesznek képek. A Deep Space 9 / Voyager éra jelvénye a következő a bonyolultsági listán, itt már nem csak két kivágot lemez összeillesztése volt szükséges, hanem lemezek egymásra hajtogatása, meg festés. A lenti képgaléria lépésről lépésre bemutatja az elkészítés állapotait.

Az egyenruha még várat magára, majd ha találok ilyen jó kis pulóvert és hirtelen megtanulok profin varrni. Esélyesebb, hogy inkább valaki csinál nekem egyet, cserébe egy jelvényért. :D

Amikor a jelvényt faragtam még nem merült fel bennem, hogy elektronikát is rakjak bele. Aztán elkezdtem mélyebben foglalkozni az Arduino-val és ekkor született az ötlet, hogy ebből simán meg lehetne csinálni, ráadásul egészen kicsiben. A cél, hogy az elektronikát hangszóróval és elemmel együtt belesűrítsem a jelvénybe, és ha a viselője „megnyomja“, akkor csipogjon, akár csak a filmben.

DS9-Voyager komjelvény

A korábban kifaragott DS9-Voyager korszakbéli komjelvény.

Mikrovezérlő

A projekthez egy ATtiny85 mikrovezérlőt használtam fel, ennek az üzemi feszültsége 2,7 - 5,5 Volt, így tökéletesen alkalmas arra, hogy egy lítiumos gombelemről járassam, és mindössze 8 lába van, így rendkívül kicsi, még DIP tokozásban is.

kapcsolási rajz

A teljes kapcsolási rajz.

A kapcsoló

A filmben a jelvények műanyagból voltak és a hangot utólag keverték alá. Az én megoldásomnál a jelvény alumíniumból van, és noha az arany része itt is festve van, az ezüstös részén meghagytam csupaszon, hogy valódi fémes hatása legyen. Ebből kiindulva született az ötlet: érintés érzékelő! Legegyszerűbb esetben egyetlen bemenet kellene egy MΩ-os felhúzóellenállással, és mivel az emberi test ellenállása ennél jóval kisebb, ha hozzáér, azzal a földre köti. Ez viszont csak közös földpotenciál esetén működik.

Erre találtam meg Paul Badger kapacitív érzékelős library-ját. Itt egészen más irányból közelíti meg a problémát, egy soros RC kört épít, ahol a két tag között van az érzékelő, és ha bárki belenyúl ebbe a rendszerbe, növeli annak a kapacitását, így az időállandó – ami a kondenzátor feltöltődési illetve kisülési ideje – meghosszabbodik. Ezt az időt mérve el tudjuk dönteni, hogy „meg lett-e nyomva“ a gomb.

Ehhez az Arduino két lábára lesz szükség, az adó lábon (2-es láb a kapcsolási rajzon) megváltozik a jelszint, a vevő lábon (3-as) pedig várja, hogy az mikor kerül azonos állapotba az adóval. A két lábat egy nagy értékű ellenállás (100 kΩ - 50 MΩ) köti össze, a vevő lábról egy 100 pF körüli kondenzátor megy a föld felé, és ide csatlakozik az érzékelő, ami jelen esetben a jelvény csupasz alumínium felülete.

A beépített védődiódák és az RC kör kondenzátora megvédik a mikrovezérlőt az érintés során az esetleges statikus kisülésektől.

 Első prototípus bemutató, alumínium érintkezővel.

Hanglejátszás

A hangszórót egy PWM (Pulse Width Modulation) jellel hajtja meg. Ez egy változtatható kitöltési tényezőjű négyszögjelet generál 8 bites bontásban, ami nullán végig alacsony jelet ad, felénél egyenletes a kitöltés, 255-nél pedig végig magas a jel. Erre egy az egyben ráküldhető egy 8 bites hang épp aktuális mintája, amiket egy a program memóriában tárolt tömbből olvas ki, és ezzel nagyjából fel is éli az ATtiny 8 kilobájtos tárterületét.

A kimenet persze nem analóg jel lesz, hanem egy azt nagyjából közelítő digitális jel; ezt finomíthatjuk egy aluláteresztő szűrővel, de enélkül is kielégítő eredményt ad, úgyhogy ezt elvetettem, mert csak plusz alkatrész lett volna.

Ez viszont felvet egy másik problémát: mivel az alap állapot az 50%-nál nem egy nyugalmi állapot, ezért alapjáraton is lesz fogyasztása. Erre a megoldás, ha alapjáraton nullára tesszük a kimenetet. Ha ez hirtelen történik, egy kattanás fog hallatszani, ezért kell egy rámpa, ahol az 50%-os értékről szép lassan leúszik nullára, illetve a következő lejátszás elején nulláról vissza 50%-ra. Ennek az ideje legalább 12,5 ezredmásodperc kell legyen, hogy az ezáltal generált hang 20 Hz alatt maradjon, amit az emberi fül már nem hall.

Hangszórónak a kis méret miatt egy kikukázott mobiltelefon hangszóróját használtam fel. Mivel tekercset nem illik finom elektronikára kötni, mert visszaindukál, egy NPN tranzisztorral vezéreltem meg. Ennek a típusa jelen esetben lehet egy úgynevezett „mindegy” típusú (pl. BC338).

második prototípus

A második prototípus. Ez csupán egy kompaktabb változata az elsőnek, ezt még nem a jelvényhez méreteztem. A képen egy CR2032 lítiumos gombelemről megy.

Fogyasztás

A mikrovezérlő órajelét a beépített 8 MHz-es oszcillátor adja. Alapjáraton ezt az órajel előosztó 64-el leosztja, így valójában 125 Hz-en fut, és a szenzor minden mintavétele között alvó módba vált, amiből egy watchdog timer kelti fel 128 ms után, ezzel minimalizálva amennyire csak lehetséges az alapjárati fogyasztást. Hanglejátszás alatt kikapcsolja az előosztót és teljes sebességgel megy.

Az eszköz fogyasztása így alapjáraton körülbelül ~5 μA, lejátszás közben pedig ~4 mA. Ezzel elméletben napokig is kibírja egy gombelemről.

Tokozás és összeszerelés

Jelenleg csak prototípusként létezik az elektronika, jó nagyban, ugyanis még nem sikerült kitalálnom, hogy miként férhetne bele a jelvénybe. A legkisebb lítiumos gombelem amit találtam 12,5 mm átmérőjű és 2 mm vastag, ami még így is hatalmas, ráadásul könnyedén cserélhetőnek kell lennie. Meg aztán ott van hangszóró is. Az arduino és a többi alkatrész lehet SMD.

Eddig még a leginkább megvalósítható ötletem az, hogy az elemet kivezetném a hátán, át a ruhán, és akkor a ruha alatt a vezetéket már el lehet vezetni akárhova.

Jövőbeli fejlesztési lehetőségek

  • Az órajelnek lehet, hogy elég lenne a beépített 1 MHz-es oszcillátort használni, elvégre a hangeffekt mintavételi rátája csak 15 kHz. Ezzel szignifikánsan leesne a fogyasztás, mivel az nagyjából exponenciálisan arányos az órajel frekvenciával.
  • Potenciométerrel állítani a kapacitív érzékelő érzékenységét.
  • Megépíteni kisebbre.

Letöltés

A forráskódot szabadon rendelkezésre bocsájtom, lehet nyugodtan nézegetni, átírni, felhasználni saját projektre. Annyit kérek csak, hogy a forrásmegjelölés ne maradjon el, illetve a harmadik féltől származó kódoknak megvan a saját licenszük.

Forráskód letöltése:
http://vbstudio.hu/download/file/arduino_chirping_star_trek_combadge_v0.1.zip

Felhasznált források

Programming ATtiny85 with Arduino Uno
https://create.arduino.cc/projecthub/arjun/programming-attiny85-with-arduino-uno-afb829

PCM playback by Michael Smith
https://github.com/shatteredhaven/HauntedPumpkin/tree/master/damellis-PCM-ae3f463/damellis-PCM-ae3f463

Capacitive Sensing Arduino library by Paul Badger
http://playground.arduino.cc/Main/CapacitiveSensor