wersja mobilna | kontakt z nami

Sterownik taśmy LED ze zdalnym sterowaniem

Numer: Kwiecień/2016

Oświetlenie diodowe zdobywa coraz większą popularność. Długi czas eksploatacji, niski pobór energii oraz malejące ceny to czynniki, które skłaniają coraz większą liczbę osób do jego stosowania. W artykule zostanie zaprezentowany regulator jasności dedykowany do taśmy LED, z pilotem bezprzewodowym i nietypowym sterowaniem. Rekomendacje: sterownik przyda się do oświetlenia obiektów i wnętrz.

Pobierz PDFMateriały dodatkowe

Kompletny sterownik taśmy składa się z dwóch urządzeń: nadajnika i odbiornika.

Nadajnik

Schemat nadajnika zdalnego sterowania, tzw. pilota, pokazano na rysunku 1. W pilocie znajduje się mikrokontroler ATtiny13V. Sufiks "V" oznacza rozszerzony zakres napięć zasilających, od 1,8 V do 5,5 V. Dzięki temu, możliwe jest zasilanie go z pojedynczej baterii CR2032 o napięciu 3 V. Dzięki temu, pilot może być lekki i niewielki.

Dioda nadawcza IR wymaga impulsów prądu o znacznym natężeniu. Sygnał wychodzący z mikrokontrolera wymaga wzmocnienia za pośrednictwem tranzystora T1. Rezystor R2 ogranicza prąd jego bazy, a kondensator C7 przyśpiesza jej przeładowywanie, czyli zatykanie i nasycanie tranzystora.

Rysunek 1. Schemat ideowy pilota (nadajnika)

Rysunek 2. Charakterystyka częstotliwościowa fi ltru wejściowego układu TSOP4836 (źródło: datasheet Vishay)

Prąd bazy tego tranzystora to ok. 2 mA, zaś prąd diody nadawczej to ok. 70 mA. Wynika z tego, że wzmocnienie prądowe T1 nie powinno być mniejsze od 100, aby ten prawidłowo wchodził w stan nasycenia. Ten warunek spełnia każdy BC807, bez konieczności wyszczególniania grupy.

Wszystkie wyprowadzenia enkodera zostały podłączone do mikrokontrolera. W typowym zastosowaniu, elektroda wspólna podłączana jest do masy, zaś pozostałe do dodatniego bieguna zasilania, za pośrednictwem rezystorów podciągających.

Listing 1. Fragmenty kodu odpowiedzialne za redukcję poboru energii przez układ

Pomimo oczywistej prostoty, tutaj taka realizacja jest niemożliwa do przyjęcia: jeżeli któryś ze styków enkodera ustawi się w takim położeniu, że zapewni długotrwały przepływ prądu przez rezystor podciągający, wówczas bateria ulegnie rozładowaniu w szybkim tempie, pomimo zredukowania poboru energii przez sam mikrokontroler.

Algorytm pracy zastosowany w tym układzie sprowadza się do okresowego (co 250 ms) wyprowadzania mikrokontrolera ze stanu głębokiego uśpienia i sprawdzania, czy zmienił się stan któregokolwiek ze styków A, B, lub SW.

Po wybudzeniu, wyprowadzenie wspólne (COM) jest ściągane do masy, przez co odczyt poziomu logicznego z pozostałych wejść, mających wewnętrzne rezystory podciągające, jest możliwy. Jeżeli zmiany nie ma, wyprowadzeniu COM zostaje nadany logiczny stan "1" i mikrokontroler przechodzi do trybu energooszczędnego. W razie wystąpienia zmiany, ponowne uśpienie zostaje odroczone na ok. 0,5 s od detekcji ostatniego ruchu na stykach. W tym czasie, układ znajduje się w stanie aktywnym i natychmiastowo reaguje na polecenia użytkownika.

Takie działanie jest możliwe dzięki zastosowaniu przerwania od układu watchdog, który pracuje z oddzielnym oscylatorem o niskiej częstotliwości. Generuje on okresowo przerwania, które uruchamiają uśpiony rdzeń. Na listingu 1 znajdują się fragmenty kodu, odpowiedzialne za konfigurację układu watchdog oraz przygotowanie do uśpienia i pracy po wybudzeniu.

Wymienione czynności pozwoliły na zredukowanie poboru prądu do wartości średniej oscylującej wokół 5 mA. Zakładając, że typowa bateria CR2032 ma pojemność 200 mAh, powinna ona wystarczyć na ponad 4 lata pracy takiego pilota. Pobór prądu w stanie aktywnym (po wybudzeniu) wzrasta do ok. 600 mA, zaś w czasie nadawania wynosi ok. 20 mA.

Sposób, w którym przebiega komunikacja w podczerwieni, opiera się na standardzie RC5 w jego typowym wydaniu. Nie zachodzi tutaj potrzeba specjalnego kodowania informacji bądź przesyłania długich ciągów danych, zatem ten prosty i doskonale znany standard powinien sprawdzić się bez zarzutu.

Takie rozwiązanie pozwala na sterowanie jasnością nie tylko za pośrednictwem opisanego tu pilota, lecz również każdego uniwersalnego, który jest wyposażony w diodę emitującą światło o długości fali 950 nm lub zbliżonej. Adres tego urządzenia został na sztywno ustawiony na 11 - niewykorzystany, zatem nie powinno być konfl iktów z innymi urządzeniami RTV w pomieszczeniu. Komendy oraz funkcje przycisków (odpowiadające pilotowi do TV) zostały zestawione w tabeli 1. Bit "toggle" nie jest sprawdzany przez odbiornik.

Tabela 1. Komendy standardu RC5 wysyłane przez pilota.

Do wytwarzania fali prostokątnej o częstotliwości 36 kHz został wykorzystany tryb CTC licznika Timer0, który jest taktowany bezpośrednio z zegara rdzenia. Ponieważ bity zabezpieczające należy pozostawić w ustawieniu fabrycznym, owa częstotliwość wynosi 1,2 MHz.

Ustawienie wartości rejestru OCR0A = 15 zaowocowało generacją sygnału o częstotliwości ok. 36,4 kHz. Niewielkie odstępstwo (rzędu 1%) nie szkodzi w stosowaniu scalonego odbiornika na częstotliwość 36 kHz, jak użyty tutaj TSOP4836, ponieważ filtr częstotliwości nośnej w nim zawarty nie jest tak bardzo selektywny (rysunek 2).

Dodatkowy rezystor R1, podciągający wyprowadzenie zerowania do dodatniego bieguna baterii, został dodany w celu uniknięcia nieprawidłowości w działaniu układu, wywołanych przez upływności montażowe oraz gromadzące się ładunki elektrostatyczne. Nie ma on wpływu na pobór prądu przez układ.

Obsługa pilota polega na przekręcaniu osi enkodera w prawo (zwiększenie jasności) bądź w lewo (zmniejszanie jasności) oraz wciśnięcie jej (wyłączenie taśmy LED).

Wykaz elementów

Nadajnik

Rezystory:
R1, R2 1 kΩ SMD0805
R3 4,7 Ω SMD1206

Kondensatory:
C1-C3 10 µF/10V SMD0805
C4, C5 100 nF SMD0805
C6, C7 1 nF SMD0805

Półprzewodniki:
LED1 nadawcza IR 5 mm λ=950 nm np. LD271
T1 BC807
US1 ATtiny13V SO8 (150 mils)

Inne:
B1 bateria CR2032 + koszyk THT leżący RS1 enkoder ze switchem np. ED1110S-05- 20C20-15KQ
Obudowa KM-10N

Odbiornik

Rezystory:
R1, R5 1 kΩ SMD0805
R2-R4 10 kΩ SMD0805
R6, R7 150 Ω SMD1206

Kondensatory:
C1, C2, C4 100 nF SMD0805
C3, C6 10 µF/10V SMD0805
C5, C7 1 nF SMD0805

Półprzewodniki:
D1 1N4148 MiniMELF
LED1 niebieska 3 mm z przeźroczystą soczewką
T1 IRF7201
US1 ATtiny13V SO8 (150 mils)
US2 78L05 TO92
US3 TSOP4836

Inne:
J1, J2 ARK2 5 mm
Obudowa KM-10N

Odbiornik

Rysunek 3. Schemat ideowy odbiornika

Schemat ideowy odbiornika jest na rysunku 3. Podobnie, jak w nadajniku, tutaj również pracuje mikrokontroler ATtiny13. Jest on zasilany stabilizowanym napięciem o wartości 5 V, pochodzącym ze scalonego stabilizatora LM78L05. Dioda D1 zabezpiecza stabilizator przed uszkodzeniem, które mogłaby wywołać omyłkowa zmiana polaryzacji zasilania.

Taśma LED jest sterowana poprzez tranzystor MOSFET-N typu IRF7201. Jest on dostępny w obudowie SO8, co jest istotne z punktu widzenia miniaturyzacji układu. Liczne wyprowadzenia drenu ułatwiają odprowadzanie zeń ciepła. Niskie napięcie progowe (1 V) pozwala na sterowanie go bezpośrednio z wyjścia mikrokontrolera.

Cechuje się rezystancją otwartego kanału na poziomie 30 mV oraz może przewodzić prąd o wartości nawet 7,3 A (przy temperaturze obudowy 25°C). To przekłada się na maksymalną moc zasilanej taśmy: 87 W w instalacji 12 V oraz 175 W dla napięcia 24 V. Rezystor R6, włączony szeregowo z bramką, zmniejsza prąd płynący przez wyjście mikrokontrolera w momencie przełączania.

Do odbioru transmisji w podczerwieni służy wspomniany już wcześniej odbiornik TSOP4836. Jego zasilanie jest filtrowane przez prosty obwód RC składający się z elementów R7, C6, C7, co rekomenduje nota katalogowa. Odbiór komunikatu RC5 o poprawnym adresie sygnalizowane jest pojedynczym błyśnięciem diody LED1.

Po zamknięciu układu w transparentnej obudowie barwy niebieskiej, jej światło jest dobrze widoczne, a jednocześnie nie jest irytujące dla oczu. Układ odbiornika pobiera w stanie czuwania prąd o wartości ok. 8 mA. Nie zapamiętuje on nastaw jasności: po zaniku zasilania i ponownym jego załączeniu, startuje z wyłączoną taśmą.

Montaż i uruchomienie

Obydwa układy - nadajnika i odbiornika - zostały zmontowane na jednostronnych płytkach drukowanych o wymiarach 31 mm×45 mm. Ich schematy montażowe zamieszczono na rysunku 4 i rysunku 5.

Montaż należy przeprowadzić zaczynając od elementów lutowanych powierzchniowo. Następnym krokiem jest wlutowanie zwor z drutu: na płytce nadajnika jedna, na płytce odbiornika dwie. W ostatniej kolejności, montuje się elementy przewlekane, poczynając od najniższych. Diodę nadawczą należy przylutować na krótkich wyprowadzeniach i zagiąć ją równolegle do powierzchni płytki, co będzie widoczne na zdjęciu.

Rysunek 4. Schemat montażowy płytki nadajnika

Rysunek 5. Schemat montażowy płytki odbiornika

Takie wymiary płytek pozwalają na zamknięcie gotowych układów w niewielkich obudowach KM-10N. Transparentna, niebieska obudowa przepuszcza promieniowanie podczerwone oraz światło niebieskiej diody, wbudowanej w odbiornik.

Dzięki temu, w obudowie nadajnika należy wywiercić jedynie jeden otwór (na oś enkodera), a w obudowie odbiornika dwa (na przewody). Płytki są dopasowane do obudów i nie wymagają żadnego dodatkowego mocowania. Zmontowane płytki pokazano na fotografii 6 i fotografii 7.

Fotografia 6. Zmontowany nadajnik

Fotografia 7. Zmontowany odbiornik

Czynności uruchomieniowe sprowadzają się do zaprogramowania pamięci Flash obydwu mikrokontrolerów. Ponadto, w przypadku układu odbiornika, należy wyłączyć bit CKDIV8. Pozostałe bity zabezpieczające należy pozostawić w ustawieniu fabrycznym.

Po zaprogramowaniu, układy gotowe są do pracy. Zasięg pilota wynosi ok. 10 m (w otwartej przestrzeni), dzięki czemu pozostaje duża swoboda w doborze miejsca ukrycia odbiornika, aby światło podczerwone mogło padać na układ TSOP4836.

Dla ciekawskich

Rysunek 8. Zmiana wypełnienia przebiegu PWM.

Wytwarzany przez mikrokontroler sygnał PWM ma częstotliwość ok. 290 Hz, przez co migotanie diod w taśmach jest niewidoczne. Rozdzielczość regulacji wypełnienia wynosi 1%. Liczba dostępnych dla użytkownika kroków wynosi 17, przy czym, pierwszy odpowiada wyłączeniu, a ostatni pełnemu rozświetleniu.

Ten "nadmiar" został przeznaczony do zrealizowania liniowej regulacji jasności. Ludzkie zmysły odbierają wrażenia jako zmieniające się liniowo, jeżeli w rzeczywistości zmiany te zachodzą logarytmicznie. Przykładem jest regulacja głośności, w której stosuje się potencjometry o charakterystyce logarytmicznej. Brak tej korekcji powoduje, że duża zmiana (odczuwalnie) zachodzi na relatywnie małym przedziale.

Rysunek 8 przedstawia wypełnienie przebiegu PWM, liczone liniowo oraz logarytmicznie. Widać na nim, że przy podejściu logarytmicznym, 75% zakresu zmienności wypełnienia jest pokryte pierwszą połową kroków. Pozostałe 25% zostało rozłożone po drugiej połowie. Podejście liniowe rozkłada wypełnienie równomiernie - oraz łatwo jest je zaimplementować, lecz uzyskany efekt jest zauważalnie gorszy.

Tabela 2. Wyniki obliczeń

Zaimplementowanie w mikrokontrolerze funkcji, która na bieżąco obliczałaby wypełnienie, znacznie zwiększyłoby objętość programu, co z kolei wymagałoby zastosowania innego układu. Wartości wypełnienia zostały obliczone i wpisane "na sztywno" do tablicy przez co cały program zajmuje ok. 0,5 kB. Poniżej znajduje się algorytm pozwalający na wygodne dokonanie obliczeń, co może być użyteczne w niejednym projekcie.

Pierwszym krokiem jest przeskalowanie numeru kroku (zmiennym w zakresie 1-17) na odpowiadającą mu liczbę z zakresu [1;10]. Taki zakres zmienności powoduje, że logarytm dziesiętny, którym w takich wypadkach zwyczajowo się posługujemy, przyjmie wartości z zakresu [0;1], co jest bardzo wygodne z punktu widzenia przeliczenia na procentową wartość wypełnienia. Owe przeskalowanie najprościej jest zrobić za pomocą zwykłej funkcji liniowej: (k - numer kroku)

Następnie, uzyskane wartości należy zlogarytmować i pomnożyć przez 100, jeżeli trzeba uzyskać wypełnienie w procentach:

Rezultatem opisanych wyżej obliczeń jest tabela, której ostatnią kolumnę należy napisać w programie jako tablicę i odwoływać się do kolejnych elementów w niej. Wyniki obliczeń przeprowadzonych na potrzeby niniejszego projektu znajdują się w tabeli 2.

Michał Kurzela, EP

Pozostałe artykuły

Radar ultradźwiękowy

Numer: Sierpień/2016

Prezentowane urządzenie to radar wykorzystujący fale ultradźwiękowe. Reaguje, gdy w jego zasięgu pojawi się obiekt wykonany z dowolnego materiału odbijającego dźwięki. Wyróżnia się tym, że współpracuje z czujnikami ultradźwiękowymi stosowanymi w motoryzacji, do systemów wspomagających parkowanie. Czujniki te są estetyczne, hermetyczne i łatwe w montażu, dzięki czemu urządzenie znajdzie wiele zastosowań. Rekomendacje: czujnik ...

Stacjonarny odtwarzacz audio Media PI

Numer: Sierpień/2016

W artykule przedstawiono stacjonarny odtwarzacz plików audio oparty o Raspberry PI. Podstawowym założeniem przy projektowaniu układu była prostota użytkowania i całkowita samodzielność urządzenia. Dzięki zastosowaniu dystrybucji Openelec, uruchomienie odtwarzacza sprowadza się do zainstalowania obrazu systemu na karcie SD. Rekomendacje: estetyczny, funkcjonalny odtwarzacz audio, który może uatrakcyjnić niejeden ? zwłaszcza starszy ...

Sterownik z modułem komunikacyjnym GSM

Numer: Sierpień/2016

Nieskomplikowane w obsłudze urządzenie, którym można sterować wysyłając wiadomości SMS. Do dyspozycji są dwa wyjścia z możliwością załączenia czasowego oraz dwa wejścia z funkcją alarmu. Rekomendacje: urządzenie może być szczególnie przydatne w okresie wakacyjnym. Umożliwi symulowanie obecności domowników oraz może powiadamiać np. o wejściu do mieszkania.

Komputer samochodowy Mee 2.0 (2)

Numer: Sierpień/2016

W poprzedniej części omówiliśmy ważniejsze części oprogramowania, w tym obsługę wyświetlacza TFT. Najwyższy czas na opisanie budowy komputera, pokazanie schematów ideowych oraz dołączenia do instalacji samochodu i sposobu jego obsługi.

Stereofoniczna, cyfrowa linia opóźniająca

Numer: Lipiec/2016

Niegdyś linie opóźniające budowało się z zastosowaniem sprężyn i przetworników elektromechanicznych. Współcześnie do ich konstrukcji można zastosować układy cyfrowe, co daje nieporównywalnie większe możliwości. Można nie tylko opóźniać sygnał, ale również wprowadzać dodatkowe efekty akustyczne. Opisywane urządzenie to moduł linii opóźniającej, który przyda się przy tworzeniu własnych konstrukcji. Jest przy tym nieskomplikowany ...

Mobilna
Elektronika
Praktyczna

Elektronika Praktyczna

Sierpień 2017

PrenumerataePrenumerataKup w kiosku wysyłkowym

Elektronika Praktyczna Plus

lipiec - grudzień 2012

Kup w kiosku wysyłkowym