Présentation générale

Nom du projet : Réveil-matin MP3 sur Arduino
Membres du projet : Hugo Dejaegher & Flora Dziedzic
Superviseur du projet : M. CHEVALIER Florian
Résumé : Réalisation d'un réveil-matin lisant une musique au format MP3 sur carte micro SD

Description

La plupart des réveils-matin bon marché dans le commerce proposent uniquement un son type buzzer à volume élevé afin de se réveiller le matin. Néanmoins, chacun sa manière de se réveiller et certaines personnes préféreraient se réveiller plus calmement à l'aide d'une musique douce de leur choix et avec un volume s'amplifiant petit à petit. De plus, dans l'obscurité il n'est pas toujours aisé d'atteindre son réveil afin de l'éteindre, et il est fréquent de le faire tomber à cause d'un faux mouvement. Il serait donc intéressant de réaliser un réveil-matin palliant à tout ces problèmes afin que chacun puisse se réveiller à son rythme.

Objectifs

L'objectif principal de ce projet est donc de réaliser un réveil-matin implémentant les fonctionnalités décrites précédemment (choix de la musique, réglage du volume, packaging résistant) en plus des fonctionnalités classiques d'un réveil matin. Nous pouvons donc lister ses principales fonctionnalités :

Réglage de l'heure
Réglage de l'heure du réveil
Réglage de la luminosité
Réglage du volume du réveil
Intensité sonore (et lumineuse) croissante si l'utilisateur n'éteint pas le réveil (s'il ne se réveille pas)
Choix du fichier MP3 (défilement sur l'écran puis validation) / ou son type buzzer
Bouton Snooze (relance du réveil dans 5 ou 10 minutes) en plus du bouton pour éteindre le réveil
Packaging adapté aux potentiels faux mouvement de l'utilisateur

Il s'agira alors, après une phase d’expérimentation sur une carte Arduino, de réaliser un PCB regroupant l'ensemble des fonctionnalités.

Préparation du projet

Cahier des charges

Le réveil-matin réalisé devra être un appareil totalement autonome :

Il devra fonctionner sur batterie/piles et ne nécessitera pas d'avoir accès au microprocesseur pour modifier le code pour utiliser ses différentes fonctions.
Idéalement, à l'aide d'une pile secondaire, il sera capable d'afficher la bonne heure/date même s'il est éteint pendant un moment.
La lecture de la musique se fera simplement en insérant une carte SD avec des fichiers mp3.
Un PCB avec un microprocesseur intégré regroupera l'ensemble des fonctionnalités décrites dans les objectifs

Choix techniques : matériel et logiciel

Matériel à disposition :
Description	Marque	Nombre	Lien
Breadbord et câbles jumper	GoTronic	1
Board UNO R3	GoTronic	1	UNO R3 Go Tronic
Afficheur LCD 2x8 DEM 08202	Display Electronik	1	DEM 08202 SYH-LY
Module Grove - MP3 v2.0	SeeedStudio	1	Grove-MP3 v2.0
MKR SD Proto Shield	Arduino	1	MKR SD proto shield
Module d'alimentation Breadbord	N/A	1	module alim

Matériel nécessaire :
Description	Fournisseur	Nombre	prix	Lien/Code article
Crystal 16Mhz	GoTronic	1	1,20€	15417
Module mp3 DFR0299	GoTronic	1	8,90€	33392
Haut parleur 8ohm 0.5W	GoTronic	1	2,50€	05512
Condensateur 22pF	GoTronic	2	0,1€ (unité)	04713
Condensateur 0,1uF	GoTronic	1	0,20€	04755
Condensateur 47uF	GoTronic	1	0,15€	04929
Resistance 10k		3
Led jaune		1
ATmega328p-AU	Mouser	1	1,81€	556-ATMEGA328P-AU
Module RTC	GoTronic	1	5,70€	34840
Connecteurs femelles 1x6	GoTronic	1	0,60€	49004
Connecteurs femelles 1x8	GoTronic	2	0,75€ (unité)	49006
Connecteurs femelles 1x16	GoTronic	1	1,20€	49012
Boîtier à pile 9V	GoTronic	1	1,60 €	09621
Rotary encoder	GoTronic	1	2,70 €	22620
Bouton jaune	GoTronic	2	1,10 € (unité)	07135
Bouton rouge	GoTronic	1	1,10 €	07132

Liste des tâches à effectuer

Voici une liste des tâches à réaliser pour mener à bien le projet :

Lister les composants nécessaires
Réaliser un prototype sur breadboard avec Arduino
Développer le code de l'ATMega328p pour le contrôle de l'ensemble des tâches du réveil
Réaliser un PCB regroupant l'ensemble des fonctionnalité
Encoder l'ATMega328p-AU
Réaliser un boitier pour le réveil

Calendrier prévisionnel

Etat de l'art

Réalisation du Projet

Semaine 1

Durant cette première semaine, nous n'avons eu la confirmation de notre sujet qu'en milieu de semaine et avons pu rencontrer notre encadrant à partir du jeudi pour parler du sujet du projet. Cette semaine a donc été consacrée à des tâches comme la création du wiki ou de la documentation.

Le jeudi matin, nous avons donc ensuite discuté avec notre encadrant Mr Chevalier afin de définir les objectifs et les attentes du projets. Nous avons également pu récupérer du matériel à cette occasion (cf matériel mis à disposition), notamment du matériel pour le prototypage. En effet, le but du projet n'est pas d'utiliser la carte Arduino UNO mais d'utiliser un micro contrôleur indépendant sur un PCB que nous ferons nous même. Nous avons donc entre autres récupéré une breadboard, des câbles jumper, un arduino UNO, un module mp3 et un afficheur LCD.

Nous avons alors passé le reste de cette semaine à nous documenter sur ce matériel (le module mp3 et l'afficheur) et avons écrits des codes pour commencer à les prendre en main. Par ailleurs nous avons trouvé dans le dépôt du fabricarium de Polytech un afficheur pouvant afficher 2 fois plus de caractères que celui fourni au départ (2x16 au lieu de 2x8) et avons choisi de l'utiliser afin d'avoir une interface plus agréable à regarder.

PHOTO/IMAGE

Semaine 2

Définition du matériel à commander

Après avoir étudié le matériel que nous avons deja à disposition et défini notre cahier des charges, nous avons donc pu dresser la liste du matériel à acquérir pour réaliser notre projet. Afin de dresser cette liste nous avons donc étudié les points suivants :

Comment utiliser un ATmega328p sans carte Arduino (On gardera un ATmega328p pour la compatibilité avec le code développé lors du prototypage, mais en forma -AU pour limiter l'encombrement): Nous avons pu définir que le montage minimum nécessaire à l'utilisation de ce micro contrôleur se compose de ce dernier, d'une alimentation et d'un quartz 16Mhz relié à 2 condensateurs 22pF.
Comment encoder un ATmega328p-AU : nous avons dans un premier temps pensé qu'un module FTDI (convertisseur USB vers port serie TTL) serait nécessaire pour réaliser cela, mais il suffit en réalité de simplement utiliser une carte Arduino sans son micro-contrôleur.
Quel type de haut-parleur choisir et comment l'utiliser.
Comment utiliser l'afficheur LCD et comment le connecter : Bien qu'il utilise de nombreux ports IO, l'ATmega328p en comporte normalement suffisamment pour nous permettre de tout connecter sans avoir à utiliser un module annexe tel qu'un module I2C par exemple.

De plus, afin d'avoir un calcul de l'heure précis, nous avons choisi d'utiliser un module RTC (Real Time Clock) qui est une horloge reliée à une pile, pour ne pas avoir à régler l'heure chaque fois que le réveil est éteint.

Enfin, après étude et quelques tests, nous avons réalisé que le module SD mp3 Grove fourni ne permettra pas d'utiliser une enceinte intégrée au réveil, puisqu'il ne renvoi l'audio que sur une sortie de type jack. Etant donné sa configuration, l'utilisation d'une connexion jack semble peu appropriée d'un point de vue ergonomique et de robustesse du réveil. Il faudrait donc tenter de modifier ce module (et potentiellement l'endommager) pour l'utiliser à notre convenance. Nous opterons donc pour un module SD mp3 autre, ne redirigeant pas le son sur une sortie jack.

Définition de l'interface utilisateur du réveil

Nous avons donc pensé au design ci-dessus, à savoir l'afficheur lcd accompagné d'un total de 3 boutons : 2 sur la droite de l'afficheur et un dernier sur le dessus pour la fonction snooze. Il y aura également une led jaune (dont l'intensité variera en fonction du temps que l'utilisateur met à stopper le réveil) et un encodeur rotatif sur le côté pour faire défiler les heures/minutes lors des réglages par exemple. Bien sûr, on pensera également à ajouter des trous pour laisser sortir le son et une fente pour la carte SD, mais cela reste à définir. En ce qui concerne l'utilisation du réveil, nous avons pensé à l’utilisation suivante :

Le bouton "Snooze" qui sert à couper l'alarme temporairement.
Le bouton "menu" permet d'accéder à un menu affichant les différents réglages possibles (régler heure, régler alarme, choisir musique, régler volume, ...).
Le bouton stop permet d’arrêter l'alarme de manière permanente (jusqu'à la prochaine heure de réveil), et pourra aussi servir à quitter le menu.
L'encodeur rotatif permet de naviguer dans le menu et de faire défiler les différents éléments à régler (volume, heure, minute, musique, luminosité). Il est également composé d'un bouton poussoir qui servira à la validation des choix.

Recherches : Comment coder un ATmega328p-AU

Puisque l'ATmega328p-AU est un composant au forma CMS pour gagner de l'espace, on ne peut pas le coder simplement en le fixant sur une carte arduino, avant de le fixer sur une socket intégrée à notre PCB par exemple. De plus, lorsqu'on achète un micro processeur séparément, celui-ci est alors "vierge" et il n'est pas en mesure de comprendre le code issu de l'IDE arduino. Il faut donc au préalable "burn" un bootloader (sorte de BIOS pour microP) sur le micro processeur pour rendre celui-ci capable d'utiliser le code développé sous l'IDE arduino. Ensuite, une fois cette étape réalisée, il faut ensuite utiliser un module FTDI (ou carte arduino comme dit précédemment) pour charger le code sur le micro-contrôleur.

En résumé, il suffit d'utiliser une carte Arduino à 2 reprises suivant un schéma différent pour encoder l'ATmega328p-AU (voir ci dessous). La première consiste à utiliser l'arduino pour burn le bootloader, et la seconde consiste à retirer l'ATmega328p-PU de la carte arduino et, avec le branchement adéquat, encoder l'ATmega328p-AU de notre PCB en faisant comme si il s'agissait de l'ATmega328p-PU de l'arduino.

Montages pour coder l'ATmega328p-AU
Arduino utilisé pour "Burn" le bootloader
Arduino utilisé comme module FTDI

Semaine 3

Réalisation d'un prototype

En attendant de recevoir le matériel, nous avons réalisé un prototype à l'aide de l'arduino et de la breadboard. Nous avons pu trouver un module RTC (DS3231) ainsi que des boutons et un encodeur rotatif dans un kit d’électronique nous appartenant afin de réaliser les tests et comprendre comment utiliser de tels composants. En particulier l'encodeur rotatif pour le réglage du volume ou de l'heure, qui nécessite une certaine compréhension de son fonctionnement.

Principe de fonctionnement encodeur rotatif

Nous avons donc défini sur quel port de l'ATmega328p brancher chacun des composants. Notamment, en raison du nombre limité de ports IO, nous avons choisi de connecter les 3 boutons du réveil sur les ports analogiques de l'ATmega328p afin de libérer des ports digitaux pour les autres composants.

Code de l'ATmega328p

Ce prototype nous a également permis de réaliser une bonne partie du code réveil. En effet seul le code pour le module SD mp3 et l'enceinte n'a pas pu être écrit vu que nous ne possédons pas ces composants. Mais nous savons d'ors et déjà que ce module sera utilisé avec la liaison série de l'ATmega328p et nous pouvons donc réaliser un code similaire envoyant des messages sur le port série au lieu d'envoyer les commandes du modules mp3 par exemple. Nous avons donc implémenté les différentes fonctions :

void printTime() Pour afficher l'heure lorsque la valeur de minute lu sur le module RTC change.
void alarm() Pour définir la routine d'alarme.
void setHour() Pour régler l'heure.
void setAlarm() Pour Régler l'heure de l'alarme.
void setDate() Pour régler la date.
void setLuminosity() Pour régler la luminosité de l'afficheur LCD.
void menu() Pour afficher le menu permettant l'accès aux différents réglages.

Nous avons choisi d'utiliser le bouton snooze pour changer la luminosité facilement (seulement si le réveil de sonne pas), afin d'éviter d'avoir à accéder au menu pour effectuer ce réglage.

Exemple réglage de l'heure et de la luminosité

Semaine 4

Conception du schéma électrique

Afin de créer et d'organiser notre réveil à notre convenance, nous nous sommes attelés à créer un schéma sur Altium afin de pouvoir réaliser un circuit imprimé reprenant les différents composants qu'il nous faut contrôler avec le microcontrôleur. Quelque soit l'application voulue, l'Atmega328p-au a besoin d'un montage de base composé de quartz et de résistances. Pour le reste des composants, l'essentiel sera implanté par des headers, des ports permettant de brancher des câbles. La lecture des fichiers sonores se fait via le module MP3, directement relié via les broches de transmission et de réception Rx et Tx au microcontrôleur et aux haut-parleurs.

Top View de l'ATmega328p-AU

Au vu du nombre important de connexions à réaliser, il sera nécessaire de réaliser le PCB en double face. Une solution peut toute fois être envisagée dans le cas où ce ne serait pas possible. En résumé, nous avons fait en sorte d'organiser au mieux le PCB en respectant les différentes contrainte et au final nous avons :

Tous les ports analogiques seront utilisés : 4 pour les 3 boutons (snooze, stop, menu) + le bouton de l'encodeur rotatif, et 2 pour le module RTC (SDA et SCL).
2 ports digitaux pour l'encodeur rotatif, 7 pour l'afficheur lcd et 1 pour la led. Parmis ces ports digitaux utilisés, il est nécessaire que celui de la led et 1 des 7 de l'afficheur soient des ports "PWM" pour pouvoir gérer les intensités lumineuses.
Les ports Rx et Tx sont utilisé pour le lecteur mp3 SD.
Les pins de programmation sont des pins en commun avec ceux deja utilisés mais ce n'est pas grave puisque, évidemment, la programmation ne s'effectue pas en même temps que le reste des tâches.

Modification nécessaire

Nous nous sommes rendu compte que nous avion oublié un élément essentiel dans la conception du réveil : un stabilisateur 5 Volt. En effet, jusqu'à présent en utilisant l'alimentation de l'Arduino nous n'avons pas rencontré ce problème mais lorsque le réveil utilisera un boitier à pile dont la tension doit être supérieure à 5Volt (puisque la tension chute rapidement aux bornes des piles), il faudra ensuite la stabiliser aux 5V requis pour le bon fonctionnement de l'ATmega328p et de tous les autres composants. Nous avons donc convenu que la solution la plus simple dans le cadre de notre projet était d'utiliser un L7805

montage pour utiliser le L7805CV

Semaine 5

Réception et test du matériel

Le lundi soir, nous avons pu recevoir nos différents composants, essentiels pour réaliser des tests et continuer le code de notre application. Dans un premier temps nous avons pu réaliser un montage basique avec le cristal et un ATmega328p afin de vérifier que l'on est bien capable d'encoder un ATmega328p sans la carte arduino. Ensuite nous avons pu réaliser le test du module mp3, celui que nous attendions le plus pour continuer efficacement notre projet. Ce module est en réalité assez simple à prendre en main mais dans un premier temps nous avons eu un problème de son : en effet lors de la lecture d'une musique, un son très fort se faisait entendre, ce qui empêchait l'utilisation correcte du module. Nous avons rapidement compris en lisant la documentation que ce problème était du au fait que la tension de fonctionnement du module mp3 aux bornes de Tx et Rx est de 3,3V. Une simple résistance de 1k placé entre le Rx du module et le Tx de l'Atmega328p a donc solutionné le problème.

IMA5 2019/2020 P3

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