In diesem Artikel zeige ich euch, wie die Shot Clock Fernbedienung entstanden ist. Anfangs dachte ich das wird einer der einfacheren Teile, ist ja nur ein kleines Gerät, das wenig können muss… So kann man sich täuschen. Bei diesem kleinen Gerät gab es doch eine Menge zu beachten. Was bei der Entwicklung alles passiert ist könnt ihr direkt hier nachlesen.
Anforderungen an die Shot Clock Fernbedienung
Zuerst muss ich natürlich festlegen, was die Fernbedienung für die Shot Clock eigentlich können soll. Die Anforderungen teile ich etwas nach Detailgrad auf und gehe hier alles durch.
Was der Anwender braucht
Aus der Vogelperspektive braucht sie nicht mehr als Knöpfe, um die Displays zu steuern. Dabei gibt es verschiedene Szenarien, die abgedeckt sein müssen:
- Starten der Uhr
- Pausieren der Uhr
- Zeit auf den Ausgangswert zurücksetzen
Weiterhin soll das Gerät klein sein. Mobil muss es sein, also bitte kabellos.
Was der Entwickler braucht
Aus Entwicklersicht sieht die Angelegenheit schon etwas komplexer aus. Es gibt verschiedene Dinge zu beachten und unter einen Hut zu bringen.
Schauen wir mal, was alles an Hardware benötigt wird, um den Anwender zufrieden zu stellen. Offensichtlich brauchen wir Knöpfe. Ich nehme dafür zwei. Einen für Start/Pause und einen für Reset.
Mobil muss es sein. Ok, also brauche ich einen Akku oder Batterien und dazu einen Spannungsregler und ggf. Ladeelektronik.
Dem Anwender mag es egal sein, aber der Entwickler braucht einen Mikrocontroller, um die Eingaben und Weiteres zu verarbeiten. Es kommt also noch ein Mikrocontroller auf die Liste.
Außerdem muss die Fernbedienung auch mit anderen Geräten sprechen, sonst hat sie ihren Sinn verfehlt. Es muss also noch ein passendes Funkmodul mit rein.
Dem ganzen spendieren wir noch ein paar passive Bauteile und ein Gehäuse. Damit sollte grob alles da sein, was benötigt wird.
Komponentenauswahl für die Shot Clock Fernbedienung
Mikrocontroller
Was soll nun der Mikrocontroller alles können? Er muss ein paar Eingangssignale verarbeiten und mit dem Funkmodul sprechen. Viel muss er also nicht können. Schön wäre, wenn er nicht viel Energie verbraucht, damit die Batterie länger hält. Die Auswahl ist Mikrocontrollern ist natürlich riesig! Da die Displays aber schon mit Arduinos ausgestattet sind möchte ich auch bei der Fernbedienung einen Arduino o.ä. verwenden. Um etwas Entwicklungs- und Lötarbeit einzusparen wäre ein fertiges Board gut, das aber natürlich klein sein soll.
Damit ist die Auswahl ganz schön reduziert. Ich habe sie eingegrenzt auf Arduino Nano, ESP8266 und ESP32. Die Entscheidung zwischen ESP8266 und ESP32 ist eher einfach. Die Anforderungen sind gering, also entscheiden Preis und Größe, der ESP8266 gewinnt. Der ESP hat den Vorteil, dass er WLAN an Bord hat. Damit lässt er sich in der Entwicklungsphase einfacher flashen. Außerdem ist der ESP12e/f Chip auf den NodeMCU (ESP8266) Modulen kleiner als ein Arduino Nano, also versuche ich es zuerst mit einem ESP12e.
Funkmodul
Das Funkmodul ist der einfachste Part. Es muss mit den Modulen in den anderen Komponenten der Shot Clock (Display, Horn) sprechen können. Das ist schon mal ziemlich sicher gestellt, wenn ich das gleiche Modul nehme. Es kommt also ein RFM69HW zum Einsatz.
Versorgung der Shot Clock Fernbedienung
Ein wichtiger Punkt bei einer Fernbedienung ist die Versorgung. Irgendwo muss die Leistung ja her kommen. Bei einem hoch mobilen Gerät wie diesem kommen nur Akkus oder Batterien in Frage. Hier entscheide ich mich für Batterien, denn wenn der Fernbedienung der Saft ausgeht, kann ich direkt mit neuen Batterien weiter machen und man muss nicht warten, bis das Gerät geladen ist. Ich will ja nun wirklich nicht, dass ein Spiel unterbrochen werden muss, weil der Akku geladen werden muss.
Die nächste Frage ist dann, welche Batterien und wie viele. Die Fernbedienung soll natürlich klein sein, daher kommen nur kleine Batterien in Frage.
Zuerst dachte ich an einfache AAA Batterien, denn die sind hoch verfügbar und günstig. Diese haben aber 2 Nachteile für dieses Projekt. Zum einen sind sie immernoch nicht besonders klein, sodass schon sehr viel Entwicklungsaufwand in das Gehäusedesign fließen müsste. Außerdem haben sie eine Nennspannung von 1,5 V. Der ausgewählte Mikrocontroller benötigt aber 3,3 V. Daher müsste die Spannung, selbst bei Reihenschaltung, durch einen step-up Konverter geboostet werden. Step-Up Konverter habe aber typischerweise einen geringeren Wirkungsgrad, als Step-down Konverter. Aus diesen Gründen habe ich gegen die aaa Batterien entschieden und weiter gesucht.
Die wichtigen Kriterien bei der Suche waren also die Nennspannung und die Größe. Um noch etwas Platz zu sparen habe ich dann bei den Knopfzellen nachgesehen und bin da auch fündig geworden. Eine relativ gut verfügbare Größe sind CR2032 Batterien. Diese haben einen Durchmesser von 20 mm und eine Dicke von 3,2 mm. Damit passen Sie sehr gut in mobile Geräte. Außerdem liefern sie eine Nennspannung von 3 V. Zwei in Reihe und ich habe 6 V, reicht also. Selbst wenn man bei der Wahrheit bleibt und den Spannungsverlauf betrachtet, liefern sie zusammen die meiste Zeit über 5 V.
Zu den Batterien benötige ich dann noch einen Spannungsregler. Bei diesem ist mir wichtig, dass er sich durch einen enable Pin steuern lässt, sodass das ich durch ihn die Batterien vom Rest trennen kann, um so eine möglichst lange Ausdauer zu erreichen. Ein gut geeignetes Modell ist der AP2112K-3.3. Dieser hat einen enable Pin und ist auch sonst für die Anwendung gut geeignet.
Damit sind die Überlegungen zur Versorgung durch, ich starte mit 2 CR2032 Knopfbatterien und einem AP2112K-3.3 als Spannungsregler.
Gehäuse und weitere Bauelemente
Neben den Hauptkomponenten werden natürlich noch einige passive Bauelemente und Transistoren benötigt. Dazu gibt es später in der Beschreibung mehr. Das Gehäuse werde ich selbst designen und mit dem 3D Drucker drucken. So kann ich es optimal auf meine Bedürfnisse anpassen. Um mir das Leben etwas leichter zu machen nehme ich für die Batterien einen Batteriehalter, damit muss ich mich nicht mehr um die Kontakte kümmern.
Damit ist das gröbste geklärt und es geht los mit der Entwicklung.
Energiesparende Spannungsversorgung und Tasterverschaltung
Das erste Thema in das ich für die Entwicklung eintauche ist die Frage, wie ich möglichst viel Energie sparen kann. Die Idee, die ich dabei verfolge, ist theoretisch recht einfach. Die Fernbedienung ist eigentlich immer komplett ausgeschaltet. Wenn ein Knopf gedrückt wird, wird der Mikrocontroller eingeschaltet. Ist er eingeschaltet, sendet er eine Nachricht und schaltet sich wieder aus. Klingt einfach, hat mich aber ein paar Nerven gekostet.
Schalten des Spannungsreglers (enable Schaltung)
Der Plan sieht also wie folgt aus: Der enable Pin des Spannungsreglers kann auf zwei wegen auf HIGH gesetzt werden. Die erste Variante ist ein Druck auf eine der Tasten. Die zweite Variante ist über einen Output vom ESP12e. Um dieses Verhalten zu erreichen nutze ich mehrere MOSFETs. Einer davon ist ein P-Channel MOSFET, der die Batteriespannung an den enable Pin durchleitet, wenn sein sein Gate auf LOW gezogen wird. Über einen Pull-Up Widerstand auf die Batteriespannung wird Gate auf High gezogen. Um Gate auf LOW zu ziehen verwende ich je ein N-Channel MOSFET für die Schaltung durch die Knöpfe und durch den µC. Das bedeutet, wenn der Gate eines der N-Channel MOSFETs auf HIGH geht, schalten sie GND durch. damit wird Gate vom P-Channel MOSFET auf GND gezogen und er schaltet durch. Und damit liegt Batteriespannung auf dem enable Pin, sodass der Spannungsregler den Mikrocontroller versorgt.
Schalten der GPIO’s bei Tastendruck
Der nächste Schritt sind die Taster. Bei denen muss der ESP12e differenzieren, welcher gedrückt ist. Trotzdem müssen beide dafür sorgen, dass das gleiche Gate am N-Channel MOSFET in der enable Schaltung bei Tastendruck auf HIGH ist. Damit ist schon mal klar, dass ich Dioden brauche. Die trennen die beiden Leitungen zur enable Schaltung.
Der Plan ist also einen N-Channel MOSFET zu nehmen, der einen GPIO des ESP12e’s auf GND zieht. Am Gate desselben liegt über einen Schalter die Batteriespannung an. Außerdem ist am Gate noch ein Pull-Down, um den Zustand zu definieren, wenn der Taster nicht gedrückt ist. Jetzt fehlt nur noch eine Leitung vom Schalter zur enable Schaltung. In diese Leitung kommt eine Diode. Damit verhindere ich, dass bei Tastendruck beide GPIO’s auf LOW gezogen werden.
Restliche Verschaltung
Bei der restlichen Verschaltung muss ich dann nicht mehr nachdenken. Mikrocontroller und Funkmodul bekommen Versorgungsspannung und werden miteinander verbunden. Noch ein paar Pull-Up’s und Pull-Down’s für den ESP, hier und da ein Stützkondensator, ein Paar Pads für die Batterie und fertig. Das Ergebnis platziere ich dann möglichst platzsparend doppelseitig auf einem PCB.
Gehäuse für die Shot Clock Fernbedienung
Zum Schluss designe ich noch ein Gehäuse für die kleine Fernbedienung. Der Hauptteil davon nimmt das PCB und den Batteriehalter auf. Darin sind Aussparungen, in die die Knöpfe kommen. Um Platz zu sparen entwickle ich dafür Deckel, die nur aufgeschoben oder eingesteckt werden. Das spart Schrauben und damit Platz und Gewicht. Dann designe ich Knöpfe, die in das Gehäuse eingesteckt werden und direkt über den Tastern am PCB liegen. Als letztes spendiere ich einen Platz für einen kleinen Schalter, mit dem die Batterie vollständig vom Rest getrennt wird, sodass die Fernbedienung für den Transport und die Aufbewahrung komplett ausgeschaltet werden kann.
Hochzeit der Shot Clock Fernbedienung
Die Entwicklung der Hardware ist damit abgeschlossen. Nachdem ich alle Teile gedruckt habe und die bestellten Platinen eingeflogen sind, bleibt nur noch alles zusammen zu bauen. Die Lötarbeiten sind etwas frickelig, aber noch absolut im Rahmen. Die Aussparungen für die Knöpfe am Gehäuse brauchten ein bisschen Nacharbeit, passten dann aber sehr gut. Das Ergebnis kann sich sehen lassen!
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