Het platform dat wordt gebruikt in dit project is de Raspberry Pi Zero. Dit is gekozen om een aantal verschillende redenen. Ten eerste biedt de Zero een zeer goede ondersteuning voor verschillende communicatie interfaces zoals SPI, I2S en I2C maar ook voor het opzetten van draadloze netwerken of webservers. Ten tweede is de kostprijs ook zeer aantrekkelijk aangezien de Raspberry Pi Zero Essentials kit slechts € 8 kost en alle basis benodigdheden bevat.

Als input voor bv. het volume van het geluid of de helderheid van het scherm, wordt gebruik gemaakt van een rotary encoder. De gebruikte rotary encoder heeft naast een rotatie functie ook een drukknop functie.

Een andere component van de SmartAlarmClock is de DS3231 Real Time Clock. Deze chip werd gekozen voor zijn hoge nauwkeurigheid en zijn instelbaarheid via de I2C interface die ook wordt ondersteund in de Linux kernel. Zijn hoge nauwkeurigheid dankt de chip aan de ingebouwde temperatuur gecompenseerde kristal oscillator.

Een extra reden voor de keuze van deze chip is de mogelijkheid om een batterij toe te voegen als back-up voeding. Het overschakelen naar de batterijspanning gebeurt automatisch wanneer de chip detecteert dat zijn voedingspanning wegvalt. Dit is handig om te kunnen garanderen dat een backup alarm toch nog minstens 1 keer kan afgaan nadat de hoofdvoeding is uitgevallen. Naast de tijd in uren, minuten en seconden (24 uurs of 12 uurs met AM/PM) wordt ook de datum bijgehouden. Deze datum wordt automatisch aangepast, rekening houdend met het aantal dagen in elke maand en ook correctie voor schrikkeljaren.

De klok geeft toegang tot 2 alarmen die bij een alarmconditie de INT pin gaan aansturen (actief laag).

Aangezien onze voeding 5V bedraagt en een deel van onze componenten zoals de lcd op 3.3 V werken moeten we de spanning naar 3.3 V kunnen regelen. De MCP1703 is een CMOS low drop-out (max 650mV) spanningsregelaar die 250 mA kan leveren en zelf slechts 2 µA verbruiken.

Om de klok en eventueel andere informatie te kunnen tonen aan de gebruiker hebben we een 2.4” 240x320 SPI tft scherm gebruikt. Correcte datasheets voor deze module zijn moeilijk te vinden. Hierdoor moesten we ons baseren op de weinige informatie die we wel konden vinden en voor de rest wachten tot de displays toekwamen.

De SD kaartlezer is in dit project overbodig, en dus ook niet aangesloten.

De buzzer dient hoofdzakelijk als back-up alarm. Indien de voedingspanning wegvalt, zal door de back-up voeding van de RTC deze toch nog blijven werken. Tijdens normale werking wordt het alarm in de RTC afgezet vooraleer het zijn interrupt kan geven en zullen de speakers voor het alarm zorgen. Indien de Raspberry pi niet gevoed wordt, zal dit niet gebeuren waardoor de interrupt wel wordt gegeven en er een set plaats vindt van de flipflop. Dit zorgt er op zijn beurt voor dat de buzzer zal afgaan tot de gebruiker de flipflop reset via een aparte knop. De Raspberry pi kan de buzzer ook setten en resetten indien nodig.

De Raspberry Pi gebruikt 0 V en 3.3 V als GPIO level. Om te kunnen communiceren met de andere componenten op 5 V zoals de RTC hebben we levelshifters nodig. Aangezien de communicatie over bv. I2C bi-directioneel is, moeten de levelshifters ook bi-directioneel zijn en bovendien snel kunnen werken. De makkelijkste manier is om MOSFET’s op elke lijn te plaatsen.

De AN10441’s werken bi-directioneel door zijn 3 mogelijke states:

State 1 is wanneer het 3.3 V gedeelte hoog wordt/is. In dit geval is de MOSFET niet in geleiding aangezien de drempelspanning tussen de gate en de source niet is bereikt. Doordat de MOSFET niet in geleiding is wordt de 5 V kant op zijn beurt ook hoog getrokken door zijn eigen pull-up weerstand. Beide kanten zijn dus hoog maar op een ander spanningsniveau.

De tweede state is wanneer de 3.3 V kant wordt laag getrokken. In dit geval wordt de drempelspanning tussen de gate en de source wel overschreden waardoor de MOSFET in geleiding gaat. Hierdoor wordt het 5 V gedeelte ook laag getrokken.

De derde state is wanneer de 5 V kant laag wordt getrokken. In dit geval zal de diode, ingebouwd in de MOSFET ervoor zorgen dat de 3.3 V kant laag wordt getrokken tot een level waarbij de drempelspanning wordt overschreden. Wanneer dit gebeurt, zal de MOSFET in geleiding gaan waardoor het 3.3 V gedeelte nog verder wordt laag getrokken.

Om ook muziek te kunnen spelen wanneer de wekker afgaat, hebben we een DAC (digital to analog converter) nodig. Deze chip ondersteunt de I2S serial bus interface standaard die dient voor digitale audio (zie intermezzo I2S). Dit is handig aangezien de Raspberry Pi Zero deze standaard ondersteunt. De PCM 5102A chip heeft een stereo output, wat wil zeggen dat er een L (links) en R (rechts) kanaal is voor de audio.

I2S staat voor Inter-IC Sound en is een seriële bus interface standaard die wordt gebruikt om verschillende digitale audio devices te verbinden. De bus heeft minimum 3 lijnen: bit clock lijn, word clock lijn (WS of LRCLK) en een data lijn. De bit clock wordt gepulst voor elke bit op de datalijnen. De word clock laat het device weten voor welk kanaal (1 of 2 ) de huidige data is bedoeld. Wanneer de word clock laag is, is de data bedoeld voor het linker kanaal, anders voor het rechter kanaal.

De TPA2016D2 is een stereo audio versterker die tot 2.8 W/kanaal kan leveren afhankelijk van de weerstand van de speakers en de voedingsspanning. De chip bevat ook een Dynamic Range Compression (DRC) en Automatic Gain Control (AGC) functie.

De DRC functie gaat dynamisch de range van het geluid beperken. Dit wil zeggen dat de harde geluiden boven een bepaalde waarde worden afgezwakt terwijl de waardes onder deze drempel ongewijzigd blijven. De belangrijkste functie van de DRC is het opvangen van te grote niveauverschillen in het geluid.

De AGC gaat op zijn beurt ervoor zorgen dat de versterking automatisch wordt aangepast aan het ingangssignaal. Zwakkere signalen zullen dus harder worden versterk als de sterkere signalen. De versterker kan tussen -28dB en 30dB versterken op beide kanalen van het stereo signaal.

Het instellen van de versterker kan door via I2C, 7 registers in te stellen. In deze registers kan bv. De versterking en de versterkingssnelheid worden ingesteld.

Als back-up voeding voor de basisfunctionaliteit van de klok wordt een condensator van 1.5 farad (“supercap”) gebruikt. De RTC schakelt over naar de voeding van de condensator indien de voedingsspanning wegvalt. Aangezien de RTC en flipflop slechts enkele µA gebruiken zou de backup functionaliteit zeer lang moeten meegaan, tenzij het alarm afgaat. Dan was de backup succesvol en is het dus niet erg is als de wekker uitvalt.

De WS2812 led’s werken als een lange serie schakeling, waarbij elke led de eerste 24 bits gebruikt om zijn kleur in te stellen. De andere bits worden doorgegeven, zie onderstaande figuren. De volgorde van de bits is niet RGB, maar GRB, met hoogste bit eerst.

Wegens het niet tijdig arriveren van de PCB's werd de PWM pin voor deze LED's opgeofferd voor de muziek.

Voor de PCB schema's en PCB lay-out wordt verwezen naar de foto pagina.