Projekt: BigBen-Türgong

BigBen-Gong-Bild Seitdem EPROMs mit großer Speicherkapazität zu günstigen Preisen erhältlich sind, ist es möglich, nahezu beliebige Klänge zu speichern und abzuspielen. Bei diesem Projekt steuert ein AT90S2333/4433 oder ATmega8 zwei EPROMs vom Typ 27C2001, in denen der bekannte BigBen-Sound gespeichert ist. Im Gegensatz zu den "klassischen" Gong-ICs wie z.B. dem SAE800 ergibt das einen fantastischen Sound. Dieser Türgong kann je nach Aufbau mit einem einfachen Taster oder mit der weit verbreiteten 8V oder 12V Klingelspannung gesteuert werden.

Letzte Bearbeitung: 23.03.2009

Hinweis: Dieses Projekt wird nicht weiterentwickelt.

Symbol Downloads

Schaltplanbbgong-sch.zip
Stückliste mit Empfehlungen zur Bauteilbestellungbbgong-stkl.htm
Variante 1, Software mit Quelltext in Assembler für IC1bbgong-at90s2333-v104-1.zip vom 26.02.2009
Variante 1, Sounddaten für IC2 und IC3 im BIN-Formatbbgong-27c2001-bin.zip
Variante 1, Sounddaten für IC2 und IC3 im HEX-Formatbbgong-27c2001-hex.zip
Variante 1, Klangbeispielbbgong1.mp3
Variante 2, Software mit Quelltext in Assembler für IC1bbgong-at90s2333-v104-2.zip vom 26.02.2009
Variante 2, Sounddaten für IC2 und IC3 im BIN-Formatbbgong-27c1001-bin.zip
Variante 2, Sounddaten für IC2 und IC3 im HEX-Formatbbgong-27c1001-hex.zip
Variante 2, Klangbeispielbbgong2.mp3
Platinen-Layout von Dieter Aschmann im Target-3001-Formatbbgong-layout.zip

Symbol Inhaltsverzeichnis

BeschreibungAllgemeine Informationen über den Gong
SchaltungBeschreibung der Schaltung und der Schaltungsvarianten
HardwareBilder und Hinweise zum Aufbau des Gongs
SoftwareInbetriebnahme des Gongs und Installation der Software

Symbol Beschreibung

Ein Türgong hat die Aufgabe, ein lautes Tonsignal zu erzeugen, falls ein bestimmter Knopf gedrückt wird, der sich üblicherweise an der Haustür befindet. Da ist bei diesem Gong nicht anders, aber hier wird kein künstliches Geräusch erzeugt, sondern ein vorher aufgenommenes Soundereignis von knapp 12 Sekunden weitgehend originalgetreu wiedergegeben. Als Türsignal bietet sich ein markantes Geräusch an, z.B. das berühmte BigBen-Glockenspiel. Leider konnte ich im großen Internet keinen Originalsound des BigBen in brauchbarer Qualität finden, deshalb habe ich den 2. Teil der BigBen-Melodie mit einem Roland SC-155 Soundmodul nachempfunden.
Wenn bereits eine Hausklingelanlage installiert ist, dann kann diese ohne Änderungen weitergenutzt werden. Es wird nur anstatt der Klingel der Gong angeschlossen. Es ist aber auch möglich, den Taster direkt mit zwei Drähten an den Gong anzuschließen, dafür ist allerdings eine kleine Modifikation der Schaltung nötig.
An der Frontseite des Gongs befinden sich noch zwei erwähnenswerte Bedienelemente: Ein Potentiometer zur Einstellung der Lautstärke und eine Kontroll-LED.

Symbol Schaltung

Schaltung 1

In diesem Türgong wurde im Prinzip die Gong-Schaltung der Multifunktionsuhr verwendet. Allerdings wurden einige Details geändert um eine längere Spielzeit und eine bessere Klangqualität zu erreichen. Anstatt der 27C256 kommen hier 27C2001 zum Einsatz, außerdem habe ich die Samplingfrequenz auf 22,05 kHz erhöht. Im Endergebnis beträgt die Spielzeit nun knapp 12 Sekunden - und das bei sehr guter Wiedergabequalität.

Zentrales Bauteil ist der Mikrocontroller AT90S2333, AT90S4433 oder ATmega8, welcher mit einem Takt von 4,4336 MHz läuft. Die etwas eigenartige Quarzfrequenz habe ich absichtlich gewählt, um die 22,05 kHz Abtastfrequenz möglichst genau erzeugen zu können. Mit "glatten" Frequenzen wie 4 oder 8 MHz wäre die Abweichung zu groß geworden. Die meisten I/O-Portanschlüsse des Mikrocontrollers dienen als Adressleitungen für die EPROMs (im Schaltplan als Busleitung gezeichnet). Einer der beiden verbleibenden Portanschlüsse (PB5) dient als Eingang vom Klingelknopf. Der andere Anschluss (PB4) steuert die Kontroll-LED.

Der Schaltungsteil oben rechts wird gebraucht, wenn der Gong an einer bereits vorhandenen Hausklingelanlage betrieben werden soll. Beim Betätigen des Klingelknopfes gelangt eine Wechselspannung von 8-12V über die Anschlüsse 1 und 2 an den Eingang des Gongs. Die Wechselspannung wird über D2-D5 gleichgerichtet, mit C11 geglättet und an die LED des Optokopplers geführt. Der Foto-Transistor des Optokopplers schaltet durch und legt ein Low-Signal an den Anschluss PB5 des Controllers.

Schaltung 2 Soll der Gong direkt von einem Taster ausgelöst werden, dann ist der Anschluss PB5 wie im nebenstehenden Bild zu beschalten.

Der Mikrocontroller liest zyklisch den I/O-Anschluss PB5 und falls ein Low-Signal erkannt wird, dann beginnt er mit seiner eigentlichen Arbeit: Über die Portanschlüsse PD0-PD7, PC0-PC5 und PB0-PB3 werden die 17 Adressleitungen der EPROMs von 0 beginnend bis 0x3ffff (262143) alle 45,335 µs hochgezählt. Das entspricht einer Frequenz von 22059 Hz und weicht damit nur minimal von der Sollfrequenz 22050 Hz ab. Die Daten-Ausgänge der EPROMs sind an ein 1R/2R-Netzwerk geführt, welches den aktuellen 16-Bit-Wert in einen Analogwert umwandelt. Das gewonnene Audiosignal wird mit R33 und C8 gefiltert und liegt dann am Potentiometer P1 an. Vom Poti gelangt das Signal an beide Eingänge des Doppel-Verstärkers IC4. Einer der Ausgänge ist direkt mit einem Lautsprecher verbunden und der andere ist an zwei Anschlüsse geführt. Hier kann bei Bedarf ein zweiter Lautsprecher angeschlossen werden, damit man den Gong z.B. auch in der oberen Etage eines Hauses hört.

Die Leuchtdiode dient zur Überwachung des Gongs. Im Ruhezustand blitzt sie alle 2 Sekunden kurz auf und signalisiert damit die normale Funktionsbereitschaft des Gongs. Bei Aktivierung des Gongs wird die LED ausgeschaltet und falls nach dem Abspielen des Gongsignals der Klingelknopf dauerhaft gedrückt bleibt, leuchtet die LED ständig. In diesem Fall bleibt der Gong stumm, bis der Klingelknopf mindestens eine Sekunde lang losgelassen wird.

Die Stromversorgung erfolgt über ein einfaches Steckernetzgerät. Die Spannung sollte maximal 12V betragen, damit IC4 keinen Schaden nimmt. Bei durchschnittlicher Lautstärke liegt die Stromaufnahme bei 300mA, bei hohen Lautstärken und/oder beim Betrieb mit 2 Lautsprechern auch darüber - natürlich nur bei Aktivierung des Gongs, sonst nimmt die Schaltung nur ca. 30 mA auf. Bei einfachen unstabilisierten Netzteilen sollte man beachten, dass die Spannung im Leerlauf wesentlich höher sein kann. Es empfiehlt sich deshalb ein stabilisiertes 12V-Schaltnetzteil. Der Rest der Stromversorgung weist keine Besonderheiten auf: die Diode D1 dient als Verpolschutz und ein 7805 erzeugt stabile 5V für IC1-IC3.

Einige Hinweise zu den verwendeten Bauelementen: Als Mikrocontroller kann ein AT90S2333, ein AT90S4433 oder ein ATmega8 verwendet werden.
Die Widerstände R1-R32 sollten Metallschichtwiderstände mit einer Toleranz von 0,1% sein. Diese Widerstände sind allerdings sehr teuer, deshalb habe ich eine größere Anzahl 1% Metallschichtwiderstände gekauft und eine Serie ausgemessen. An dieser Stelle ist hohe Präzision gefragt, denn von den Widerständen hängt entscheidend die Qualität der Soundwiedergabe ab.
Anstatt des TDA7053 kann auch die Mono-Version TDA7052 verwendet werden, wenn der Gong nur mit einem Lautsprecher betrieben werden soll. Laut Datenblatt des TDA7053 bzw. TDA7052 sollte der Lautsprecher eine Impedanz von 8 Ohm haben. Der von mir verwendete 6 Ohm Lautsprecher würde den Verstärker im Dauerbetrieb vermutlich überlasten, da aber der Gong normalerweise nur selten aktiviert wird, besteht keine Gefahr.

Ich habe übrigens von diesem Gong noch ein zweites Exemplar mit einem anderen Sound gebaut. Hier habe ich kleinere EPROMs (27C1001) verwendet und die Spielzeit auf knapp 6 Sekunden reduziert. Bei dieser Variante konnte die Leitung A17 von IC1/17 nach IC2/30 und IC3/30 entfallen, außerdem ist in der Software eine kleine Änderung nötig.

Diese Stückliste enthält alle Bauelemente, die für dieses Projekt benötigt werden. Hier sind auch Angaben zu den verschiedenen Optionen enthalten.

Für dieses Projekt gibt es auch ein Platinenlayout. Die Datei bbgong-layout.zip enthält das mit Target 3001 erstellte Projektfile, das Platinenlayout, den Bestückungsplan, den modifizierten Schaltplan, die Stückliste und einen Text mit wichtigen Hinweisen. An dieser Stelle vielen Dank an Dieter Aschmann, der das Platinenlayout entwickelt und zur Verfügung gestellt hat.

Symbol Hardware

Platine vorn Der komplette Gong findet auf einer kleinen Lochrasterplatine Platz. Unten links sitzt der Mikrocontroller, rechts daneben die beiden EPROMs und wiederum rechts daneben befindet sich das Widerstandsnetzwerk des D/A-Wandlers. Oben ist von links nach rechts die Stromversorgung, der NF-Verstärker und der Optokoppler zu sehen.

Anmerkung: Das Bild zeigt eine etwas ältere Version des Gongs. Die Platine wurde inzwischen nochmals überarbeitet und entspricht jetzt der aktuellen Schaltung.

Platine hinten So sieht die Platine von unten aus. Die Verbindungen vom Mikrocontroller zu den EPROMs habe ich mit dünnem Kupferlackdraht hergestellt.

Gong vorn Als Gehäuse habe ich eine ausgemusterte Lautsprecherbox verwendet, bei der die Fontplatte mit dem Lautsprecher abnehmbar ist. Auf dieser Frontplatte kann das Potentiometer und die LED montiert werden. Für die Platine ist reichlich Platz innerhalb des Gehäuses.

Für die Verbindung von der Platine zum Potentiometer sollte geschirmtes Kabel verwendet werden. Alle anderen Verbindungen sind unkritisch und können mit beliebigem Litzenkabel hergestellt werden.

Die Anschlüsse für Strom (Hohlsteckverbindung) und Eingang (Cinch) befinden sich an der rechten Gehäusewand.

Gong fertig Und so sieht dann der fertige Gong aus. Das Design ist eher schlicht und funktionell, dafür ist der Klang umso besser :-)

PS: Die Bilder sind leider nur von mäßiger Qualität - sie wurden vor langer Zeit mit einer Hi8-Videokamera erstellt.

Symbol Software

Bei dieser Schaltung müssen insgesamt 3 ICs programmiert werden: der Controller und die beiden EPROMs. Es gibt (wie schon erwähnt) zwei Gong-Varianten, für die Variante 1 mit 27C2001 werden folgende Dateien benötigt:

Für die Variante 2 mit den kleineren EPROMs 27C1001 werden folgende Dateien benötigt:

Falls der Wunsch besteht, andere Sounds für den Gong zu verwenden, dann ist dieses kleine Konverter-Tool sicher hilfreich. Es wandelt normale WAV-Files in 2 Binärfiles um, die dann direkt in die EPROMs geschrieben werden können. Wichtig: Das WAV-File muss zwingend folgende Parameter haben: Samplingrate: 22.050 kHz, 16-Bit, Mono, 262144 Samples (Spielzeit 11,8886 Sekunden) bei Variante 1 oder 131072 Samples (Spielzeit 5,9443 Sekunden) bei Variante 2. Das WAV-File darf nicht komprimiert sein.

Beim Programmieren des Mikrocontrollers müssen nach dem Schreiben des Hex-Files noch die Fuse-Bits eingestellt werden.

Fuse-Bits 1/1 Wird ein Mikrocontroller AT90S2333 oder AT90S4433 verwendet, dann sieht die Einstellung im AVR-Studio so aus wie im nebenstehenden Bild.

Fuse-Bits 1/2 So sieht die Einstellung für den AT90S2333 oder AT90S4433 in PonyProg aus.

Fuse-Bits 2/1 Bei Verwendung eines ATmega8 sieht die Einstellung im AVR-Studio so aus.

Fuse-Bits 2/2 So sieht die Einstellung für den ATmega8 in PonyProg aus.


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