CLEDUV - lampa UV do manicure

Poza mocą lampy UV, ważnym parametrem jest też liczba zaprogramowanych czasów świecenia. Fabryczne lampy mają do każdego przycisku odgórnie zaprogramowany czas. Zwykle dostępne są czasy: 15 s, 30 s, 60 s, 90 s, 120 s. W tworzonej przeze mnie lampie napisałem program w taki sposób, że użytkownik ma możliwość zaprogramowania 5 różnych czasów do 3 różnych przycisków.

Inną powszechną cechą fabrycznych lamp jest zwykły wyświetlacz segmentowy, za pomocą którego można odczytać czas pozostały do zakończenia naświetlania, przy czym tańsze modele urządzeń w ogóle nie mają takiego wyświetlacza. W opracowanym przeze mnie rozwiązaniu zdecydowałem się zastosować niewielki kolorowy wyświetlacz o rozdzielczości 128×128 pikseli i przekątnej 1,44”. Jest on wyposażony w kontroler ST7735 i 27-wyprowadzeniowe złącze taśmowe, które można lutować. Postanowiłem, że jednym z przycisków będzie można obracać wyświetlaną treść, dzięki temu obraz na wyświetlaczu może być wyświetlany w kierunku klienta lub osoby wykonującej zabieg.

W większości gotowych lamp UV znajduje się wbudowany czujnik włożenia dłoni, który powoduje uruchomienie odliczania czasu (z reguły 30 s). Także w moim projekcie postanowiłem zaimplementować taki czujnik, lecz czas działania wyzwalany tym zdarzeniem można dowolnie ustawić i zapamiętać.

Innymi cechami, które mogą wyróżnić lampę spośród gotowych produktów na rynku, jest wbudowany sygnalizator dźwiękowy oraz sygnalizacyjna dioda LED z tyłu lampy. Sygnał dźwiękowy informuje, że czasomierz odmierzył czas do zera i można wyjąć dłoń z lampy. Tę funkcje można też wyłączyć w menu użytkownika. Sygnalizacyjna dioda LED natomiast sygnalizuje stan pracy lampy, gaśnie, gdy diody LED UV przestają świecić. Jest to przydatna funkcja, ponieważ osoba wykonująca usługę stylizacji paznokci często umieszcza lampę tyłem do siebie i nie widzi, że czas dobiegł końca, a lampa przestała już świecić.

Budowa i działanie

Główną część lampy stanowi płytka PCB, do której dołączone są dwie gałęzie, połączonych szeregowo po 7 diod Power LED UV, o prądzie znamionowym 700 mA. Schemat elektronicznego sterownika lampy został pokazany na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat elektryczny

Pierwszym blokiem jest stabilizator impulsowy. Lampę należy zasilać zewnętrznym zasilaczem 24 V DC, o wydajności prądowej min. 1,5 A. Prąd z zasilacza zewnętrznego trafia na bezpiecznik resetowalny F1 i diodę prostowniczą D5, zabezpieczającą przed podaniem napięcia zasilania o odwróconej polaryzacji. Rezystor R2 wraz z kondensatorami C1, C2 stanowią filtr dolnoprzepustowy. Dioda transil TRAN zabezpiecza stabilizator przed ewentualnymi przepięciami. Układ P1 typu MCP16301/H działa jako przetwornica obniżająca Buck. Współpracuje z zewnętrznymi komponentami dyskretnymi: dławikiem L1, kondensatorami C1, C4, oraz diodą Schottky’ego D1.

Rezystory R3 i R4 stanowią dzielnik rezystancyjny, który umożliwia pomiar napięcia wyjściowego i porównanie go z napięciem referencyjnym przetwornicy.

Dioda Zenera D7 została dodana jako dodatkowe zabezpieczenie układu przed pojawieniem się zbyt wysokiego napięcia. Z napięcia 5 V dostępnego na wyjściu przetwornicy jest wytwarzane napięcie 3,3 V za pomocą regulatora IC2, które zasila wyświetlacz oraz mikrokontroler. Układ typu MCP1703-3.3V jest regulatorem LDO z wbudowanym zabezpieczeniem przeciwko zwarciu. Do poprawnej pracy wymaga tylko kondensatorów filtrujących C16 oraz C17.

Mikrokontroler sterujący to układ STM32F105RBT6 w obudowie LQFP64. Ma dołączony zewnętrzny rezonator kwarcowy 8 MHz wraz z niezbędnymi kondensatorami C10, C11, w celu dokładnego odmierzania czasu. Rezystor R16 oraz kondensator C28 realizują filtr dolnoprzepustowy do zasilania analogowych peryferiów mikrokontrolera. Kondensatory C5, C6, C7 i C8 odsprzęgają porty zasilające mikrokontrolera, dlatego są umieszczone możliwie blisko nich. Rezystor R14 zapewnia prawidłowe bootowanie mikrokontrolera, rezystor R15 oraz kondensator C12 zapewniają dodatkowo prawidłowe zerowanie procesora po podaniu napięcia zasilania. Złącze typu goldpin PRG służy do zaprogramowania procesora oraz debugowania poprzez interfejs SWD.

Przyciski ENTER, UP, DOWN, ROTATE są zwykłymi przyciskami typu microswitch. Są dodatkowo podciągnięte do dodatniego napięcia zasilania procesora za pomocą rezystorów R17, R20, R21, R22, a wraz z kondensatorami C9, C13, C14, C18 eliminują skutki drgania styków. Złącze display służy do przylutowaniu wyświetlacza na PCB. Kondensatory C21 oraz C22 to kondensatory filtrujące znajdujące się w pobliżu zasilania wyświetlacza.

Tranzystory T6 oraz Q2 wraz z rezystorami R25, R26, R36, R12, R13, R44 służą do sterowania tranzystorem mosfet z kanałem typu N (NM1 – AOD4126) za pomocą sygnału PWM. Sygnał PWM służy do regulacji mocy lampy. Układ zapewnia wysterowanie tranzystora napięciem UGS >10 V w celu zapewnienia jak najmniejszej rezystancji RDSon oraz jak najskuteczniejszego wyeliminowania mocy strat związanej z przełączaniem tranzystora. Tranzystory T, T2, rezystory R8, R9, R10, R11 wraz z diodami D2, D4, D6, D8, tworzą dwa źródła prądowe, do których należy przyłączyć dwie gałęzie diod LED UV. Zmieniając wartości R8, R10, możemy zmienić prąd płynący przez te diody.

Tranzystor T4 wraz z rezystorami R23, R24, R27 stanowią układ, który ma za zadanie wysterowanie diody IR odpowiednim prądem. Nadajnik podczerwieni, z odbiornikiem typu TSOP31236 realizują układ wykrywający, w którym momencie dłoń zostanie włożona do lampy – sygnał podczerwieni przestaje docierać do odbiornika podczerwieni. Dzięki temu procesor od razu załącza diody LED UV. Rezystor R28 z kondensatorami C20 oraz C19 stanowią filtr zasilania odbiornika podczerwieni. Natomiast rezystor R30 wymusza stan wysoki na wyjściu odbiornika. Tranzystor T1 wraz z rezystorami R5, R6, R7 stanowi układ, który steruje informacyjną diodą LED, natomiast tranzystor T3 razem z rezystorami R18, R19 stanowią układ, który steruje sygnalizatorem dźwiękowym z wbudowanym generatorem (BZ1). Dioda CLED informuje o pojawieniu się napięcia 3,3 V.

Montaż i uruchomienie

Schemat zaprojektowanej płytki PCB został pokazany na rysunku 2. Wszystkie elementy układu znajdują się na stronie TOP, natomiast wyświetlacz wraz z przyciskami umieszczono na stronie BOTTOM. W pobliżu elementów, na których rozprasza się dużo mocy, znajduje się mnóstwo przelotek ułatwiających rozpraszanie ciepła, dodatkowo na obu stronach płytki PCB jest tzw. wylewka masy. W rogach płytki znajdują się otwory montażowe na śrubki 3 mm.

Rysunek 2. Schemat płytki PCB

Montaż należy rozpocząć od przylutowania elementów odpowiedzialnych za zasilanie, czyli całego bloku przetwornicy oraz stabilizatora LDO. Następnie należy podłączyć zasilanie o napięciu 24 V do układu i sprawdzić poprawność napięć 5 V oraz 3,3 V. Po tych czynnościach można przystąpić do przylutowania mikrokontrolera. Jest on w obudowie LQFP, dlatego do tej czynności najlepiej użyć grotu typu minifala. Następnie można przystąpić do przylutowania pozostałych elementów SMD.

Fotografia 1. Strona TOP zmontowanej płytki PCB

Przed przylutowaniem elementów przewlekanych należy przylutować wyświetlacz (taśma 27-wyprowadzeniowa). Teraz należy zaprogramować mikrokontroler za pomocą programatora ST-Link V2 oraz programu STM32 ST-LINK Utility. Po tym zabiegu na wyświetlaczu musi się wyświetlić menu użytkownika. Jeśli wszystko zadziałało, można przykleić wyświetlacz do płytki PCB. Zmontowana płytka PCB została pokazana na fotografiach 1 i 2.

Fotografia 2. Strona BOTTOM zmontowanej płytki PCB

Następną czynnością jest podłączenie wszystkich elementów zewnętrznych tzn. diod LED UV, diody IR, odbiornika IR oraz diody sygnalizacyjnej. Anody dwóch gałęzi diod LED należy podłączyć do złącza ALED, natomiast katody dwóch gałęzi podłączyć wspólnie do złącza KLED. Sygnalizacyjną diodę zewnętrzną trzeba podłączyć do złącza WORKLED. Diodę podczerwieni należy podłączyć do złącza IRLED, a odbiornik podczerwieni do złącza TSOP31236. Po podłączeniu elementów zewnętrznych należy podłączyć zasilanie i sprawdzić, czy wszystko działa prawidłowo. Jeżeli tak, to można przystąpić do zamontowania wszystkich elementów w obudowie.

Obudowa

Obudowa do urządzenia została wykonana w technice druku 3D, jej projekt jest pokazany na rysunkach 3 i 4.

Rysunek 3. Projekt górnej części obudowy

Rysunek 4. Projekt dolnej części obudowy

Składa się z trzech elementów: podstawki, części wewnętrznej oraz zewnętrznej. Część wewnętrzna lampy oraz podstawka zostały wydrukowane osobno, aby ograniczyć zużycie filamentu oraz czasu wydruku (nie trzeba wtedy stosować dodatkowych podpór). Elementy te po wydrukowaniu należy ze sobą złączyć (specjalne wypusty w części wewnętrznej oraz otwory w podstawce) i skleić. Do otworów w części wewnętrznej obudowy należy przykleić diody Power LED UV przymocowane do aluminiowych radiatorów. Do części zewnętrznej obudowy należy wepchnąć diodę sygnalizacyjną o średnicy 5 mm oraz zmontować sprawdzoną płytkę PCB za pomocą śrubek 3 mm.

Zewnętrzna część obudowy ma zagłębienie wokół wyświetlacza służące do przyklejenia zewnętrznej płytki z pleksi o grubości 1,5 mm. Część zewnętrzną wraz z podstawą obudowy należy skręcić za pomocą śrubek 3 mm. Na fotografiach 3 i 4 zostały pokazane zmontowane obie części obudowy.

Fotografia 3. Zmontowana górna część obudowy

Fotografia 4. Zmontowana podstawka z wewnętrzną częścią obudowy

Obsługa

Po uruchomieniu urządzenia na wyświetlaczu pojawia się menu użytkownika, w którym do wyboru mamy takie opcje: PRACA, CZASY, MOC, DŹWIĘK, ZAPISZ (fotografia 5). Przyciskami UP, DOWN poruszamy się po menu, aby wejść do danej funkcji, naciskamy ENTER. Aby wyjść i powrócić do menu należy przytrzymać przez około 2 s przycisk ENTER, a następnie go zwolnić.

Fotografia 5. Główne menu użytkownika

Po wejściu do funkcji PRACA na wyświetlaczu ukazuje się pozostały czas do wyłączenia świecenia (fotografia 6). W tym trybie, naciskając krótko ENTER, uruchamiamy pierwszy zaprogramowany czas, natomiast naciskając krótko przyciski UP, DOWN uruchamiamy kolejno zaprogramowane czasy, drugi oraz trzeci. Aby uruchomić zaprogramowany czas czwarty oraz piąty, należy przytrzymać przez około 2 s przycisk UP lub DOWN. Aby wyjść z trybu pracy, należy przytrzymać przez około 2 s wciśnięty przycisk ENTER, a następnie go puścić.

Fotografia 6. Uruchomiony tryb pracy

Po wybraniu funkcji CZASY możemy zaprogramować czasy przypisane do poszczególnych przycisków (fotografia 7). Należy zaznaczyć dany czas (przyciski UP, DOWN), który chcemy zmienić, a następnie nacisnąć ENTER. Wybrany czas zacznie migać. Naciskając i przytrzymując przyciski UP oraz DOWN możemy zmienić wartość danego czasu. Po wprowadzeniu zmiany czasu, w celu zatwierdzenia, należy nacisnąć ENTER. Aby wyjść z podmenu CZASY, należy przytrzymać przycisk ENTER przez około 2 s a następnie go zwolnić. Ustawienie „Czas1” jest czasem, który może być aktywowany poprzez naciśniecie przycisku ENTER, ale także jest aktywowany automatycznie po włożeniu dłoni do lampy.

Fotografia 7. Podmenu CZASY

Funkcja MOC, za pomocą przycisków UP oraz DOWN, pozwala regulować maksymalną moc lampy wyrażoną w procentach (fotografia 8). Aby wyjść z menu głównego, należy przytrzymać przycisk ENTER przez około 2 s a następnie go zwolnić.

Fotografia 8. Podmenu MOC

W podmenu DŹWIĘK mamy możliwość załączenia lub wyłączenia sygnalizacji dźwiękowej po zakończeniu odliczania czasu (fotografia 9). Zmiany ustawienia dokonujemy przyciskiem UP lub DOWN, a wychodzimy tak, jak w pozostałych przypadkach.

Fotografia 9. Podmenu DŹWIĘK

Wybierając funkcję ZAPISZ, uruchamiamy zapisanie w pamięci nieulotnej urządzenia wszystkich wprowadzonych ustawień. Jednorazowe naciśnięcie przycisku ROTATE powoduje obrócenie wyświetlanego obrazu o 90°.

Działające urządzenie można zobaczyć na filmie powyżej.

Krzysztof Miękus
lordwest1989@tlen.pl