Disseny d'una làmpada LED PWM de diversos nodes: 6 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:18

Aquest instructiu mostrarà com he dissenyat un controlador de làmpada LED PWM. Es poden encaixar diverses làmpades per crear grans cordes de llum. La creació de llums LED parpellejants per Nadal sempre ha estat a la meva llista de desitjos. La temporada de Nadal passada vaig començar a pensar en construir alguna cosa. El meu primer pensament va ser que cada llum LED es podia connectar simplement a un parell de cables. La potència de les làmpades LED podria ser un senyal de corrent altern que passaria d’una freqüència baixa a alta. Un filtre de pas de banda integrat a cada llum encendria el LED quan la freqüència coincidís amb la freqüència central del filtre de pas de banda. Si els filtres de pas de banda estiguessin ben configurats, es podria fer una seqüència de persecució LED. Realment, saltant a diferents freqüències en lloc d’escombrar, es podria encendre qualsevol dels LED. Utilitzar un xip de controlador H-Bridge, fer que la freqüència desitjada pels cables no hagi de ser massa difícil. Bé, només fa pudor al disseny analògic: sóc més un programari tipus. Després d’un parell de proves de banc, ràpidament vaig deixar d’utilitzar l’analògic. El que realment volia era una làmpada LED que es pogués controlar completament per mostrar qualsevol color que volgués. Ah, i hauria de ser capaç d’utilitzar PWM (modulació d’amplitud d’impulsos) de manera que els LED es puguin encendre o apagar amb patrons realment genials. això va caure del meu desig de llums d’arbres de Nadal. Feu una ullada ràpida al vídeo següent per veure ràpidament què és capaç de mostrar el controlador de làmpada LED PWM de Kemper. Tingueu en compte que és difícil aconseguir un bon vídeo dels LED en acció que utilitzen PWM per al control de la intensitat. És el mateix problema quan intenteu fer un vídeo amb un monitor d’ordinador. Els 60Hz dels LED entren en una lluita de freqüència de batecs amb els 30Hz de la càmera de vídeo. Per tant, tot i que hi ha vegades que el vídeo dels LED és una mica "fallit", aquest no és realment el cas. Sembla que els LED no tenen cap problema quan es veu a l’ull humà. Consulteu el pas següent del programari per obtenir més informació sobre la captació de vídeo dels LED.

Pas 1: dissenyar els objectius

Després de passar les vacances de Nadal pensant en aquest projecte, vaig trobar una llista de desitjos. Heus aquí algunes de les funcions (ordenades per ordre) que volia amb el meu controlador LED: 1) Cada llum LED ha de ser el més barata possible. Una cadena de 100 làmpades costarà un munt si cada llum costa molt. El cost, per tant, és un factor important.2) Cada làmpada tindrà un petit micro a bord que accionarà els LED. El petit micro generarà senyals PWM perquè els LED es puguin atenuar o esvair. Els LED poden semblar durs quan s’encenen i s’apaguen simplement. Utilitzant senyals PWM, els LED es poden esvair cap amunt i cap avall sense que les vores dures siguin normals als LED. 3) Per simplificar el cablejat, cada llum acceptarà ordres mitjançant una interfície de dos fils. L’alimentació i les comunicacions compartiran els mateixos dos cables. Les ordres de les làmpades indicaran al micro de bord quins dels LED conduir amb PWM. Suposo que realment s’ha de renumerar, de manera que és el número 1. A continuació, es detallen alguns dels objectius de disseny menors (sense ordre particular): 1) Per al desenvolupament, ha de ser fàcil de tornar a projectar / reprogramar el circuit. generar les ordres a les làmpades. Això fa que el desenvolupament de patrons sigui molt més fàcil que l’ús d’un altre micro incrustat. 3) Cada làmpada ha de tenir una adreça única. Cada LED, dins d’una làmpada, també ha de ser dirigible de manera única. 4) El protocol d’ordres hauria de suportar MOLTES làmpades d’una cadena de cables. El disseny actual admet 128 làmpades en una corda. Amb 4 LED per làmpada que funcionen fins a 512 LED en una cadena de dos cables. Tingueu en compte també que cadascun d'aquests 512 LED té un PWM complet que el condueix.5) El protocol ha de tenir una ordre que digui: "Comenceu a esvair el LED d'aquest nivell a aquest nivell". Un cop s'iniciï la decoloració, també es poden configurar altres LEDs que es poden decolorar a la mateixa làmpada. En altres paraules, configureu un LED en un patró d’esvaiment i oblideu-lo sabent que el LED durà a terme l’ordre. Això implica un programari multitarea al micro! 6) Hi hauria d’haver ordres globals que afectin totes les làmpades alhora. Per tant, es poden comandar tots els LED utilitzant només una ordre. Hi ha alguns objectius de disseny realment menors (de nou, sense cap ordre particular): 1) Necessiteu una manera de tornar a informar un llum quan es produeixi un error de comunicació. Això permetria reenviar l’ordre. 2) El protocol d’ordres necessita una manera de tenir un patró de concordança global fantàstic. Això permetria seleccionar cada x nombre de làmpades amb una sola ordre. Això facilitaria la creació de patrons de persecució amb un gran nombre de làmpades. Com a exemple, això permetria enviar una ordre a cada tercera làmpada d'una cadena de llums. Aleshores, la següent ordre es podria enviar al següent grup de tres. 3) Un sistema lògic de detecció de polaritat automàtica també seria fantàstic. Aleshores, la polaritat dels dos cables d’alimentació de les làmpades LED esdevé poc important. Consulteu la secció de maquinari per obtenir més informació sobre aquesta funció.

Pas 2: prototipatge:

Ara és a principis de gener i me’n vaig. Vaig trobar el 10F206 a Digikey i és realment barat. Per tant, faig girar una placa proto per contenir un micro 10F206 de Microchip. He dissenyat una placa ràpida perquè el 10F2xx no està disponible en cap paquet DIP. En resum, no volia molestar-me amb el xip petit. (Jo tenia tanta confiança al gener) També vaig sortir i vaig comprar un nou compilador CSS C dirigit als micros 10F2xx. La família de xips 10F2xx és realment barata. Amb moltes esperances, em vaig endinsar i vaig començar a escriure molts codis: el 10F206 té una friolera de 24 bytes de RAM; el xip també té 512 bytes de flash i un temporitzador de vuit bits. Tot i que els recursos són escassos, el preu és bo a 41 cèntims en grans quantitats. Vaja, un milió d’instruccions per segon (1 MIPS) per 41 cèntims! M’encanta la llei de Moore. Evan a un preu únic, el 10F206 de Digikey apareix a 66 cèntims. Vaig passar un munt de temps treballant amb el 10F206. Mentre treballava amb el 10F206, vaig descobrir que la multitarea és absolutament necessària. Els senyals de sortida PWM S’han de mantenir actualitzats fins i tot mentre es reben missatges de comunicació nous. Qualsevol interrupció en l’actualització dels senyals PWM es veurà com un error als LED. L’ull humà és molt bo per veure problemes. Hi ha un parell de problemes fonamentals amb el xip 10F206. Almenys problemes fonamentals per a la meva aplicació. El primer problema és que no hi ha interrupcions. La captura de l'inici de les noves comunicacions mitjançant un bucle de sondeig comporta errors de temps. Un segon problema és que només hi ha un temporitzador. Simplement no he pogut trobar la manera de rebre ordres mantenint les sortides PWM. Els LED s’encenien cada cop que es rebia una nova ordre. Compartir el temporitzador entre la recepció d’ordres i la conducció de les sortides PWM també va ser un problema important per al programari. No vaig poder restablir el temporitzador mentre rebia un caràcter nou perquè també s’utilitzava per controlar els senyals PWM. Mentre treballava amb el 10F206, vaig veure un article a Circuit Cellar sobre el nou micro MC9RS08KA1 de Freescale. M’encanten els xips Freescale: sóc molt fan de la seva depuració de BDM. Vaig utilitzar molt els xips Star12 en el passat (vaig escriure tot el programari per al sistema d’ultrasons GM Cadillac & Lacern en un Star12: el meu programari d’ultrasons està en producció ara en aquests dos cotxes). Per tant, tenia molta il·lusió que els seus nous petits xips fossin bons. El preu també és correcte, Digikey té aquests xips a 38 cèntims en gran quantitat. Freescale va ser bo i em va enviar mostres gratuïtes. No obstant això, el xip Freescale 9RS08 semblava realment ridícul: no podia avançar gaire. El xip també pateix amb manca d’interrupcions i només un temporitzador. Bé, almenys vaig pensar que tot això sense malgastar diners en fer girar una altra placa proto. Vegeu les imatges següents. Ara ho sé: per a la meva aplicació he de tenir interrupcions i més d’un temporitzador. Tornant a Microchip, vaig trobar el xip 12F609. Té interrupcions i dos temporitzadors. També té 1K de flash i 64 bytes de RAM. El desavantatge és el preu; Digikey llista aquestes fitxes a 76 cèntims en gran quantitat. Bé, la llei de Moore se n’encarregarà prou aviat. Al costat positiu, el 12F609 també es pot demanar en paquets DIP. A la part negativa, vaig haver de comprar el següent compilador de pujada de nivell: això va cremar una mica el meu @ # $%^&.Ara és abril i he après moltes coses sobre el que no funcionarà. He fet girar un tauler i he malgastat diners en un compilador que no necessito. Tot i això, les proves fins ara són encoratjadores: amb el nou compilador i els xips 12F209 als paquets DIP, les proves de nivell de banc van anar ràpidament. Les proves van confirmar que tenia el xip adequat. És hora de fer girar una altra placa proto! En aquest punt, estic decidit.

Pas 3: Taula de desenvolupament 12F609

D’acord, recentment provat fora de banc, estic disposat a provar un altre gir de la placa. En aquest disseny de la placa, realment volia provar la idea d’enviar energia i comunicació pels mateixos dos cables. Si s’ignoressin els errors de comunicació, només caldrien dos cables. Això és molt bo! Tot i que l’enviament de comunicacions a través dels cables d’alimentació és genial, no és necessari. Totes les làmpades es poden connectar juntes en un sol cable de comunicació si es desitja. Això significaria que cada llum requeriria tres cables amb un quart cable d’estat de retroalimentació opcional. Vegeu el diagrama següent: Potència i comunicació es poden combinar mitjançant un simple pont H. L’H-Bridge pot conduir grans corrents sense cap problema. Molts LED d’alta intensitat només es podrien connectar en dos cables. La polaritat de l'alimentació de CC a les làmpades es pot canviar molt ràpidament amb el pont H. Per tant, cada llum utilitza un pont d’ona completa per rectificar la commutació de CC de nou a una alimentació de CC normal. Un dels micro pins es connecta a la potència CC de commutació entrant bruta de manera que es pugui detectar el senyal de comunicació. Una resistència de limitació de corrent protegeix l’entrada digital del micro. Dins del pin d'entrada de micro, la tensió de CC de commutació bruta es fixa mitjançant els díodes interns de campament del micro: la CC de commutació està subjecta (zero a Vcc volts) per aquests díodes. El pont d’ona completa que està rectificant l’energia entrant genera dues gotes de díode. Les dues caigudes de díodes del pont es superen simplement ajustant la tensió d'alimentació del pont H. Una tensió de pont H de sis volts proporciona un bon subministrament de cinc volts a la micro. A continuació, s’utilitzen resistències limitants individuals per retallar el corrent a través de cada LED. Sembla que aquest esquema power / comm funciona molt bé. També volia provar d'afegir sortides de transistor entre el micro i els LED. Durant les proves de banc, si el 12F609 es posa fort (massa corrent en el seu camí de sortida) parpellejarà totes les sortides. El corrent màxim per a tot el xip segons el full de dades que pot suportar el 12F609 és de 90 mA, en total. Bé, això no funcionarà! És possible que necessiti molta més actualitat que això. Afegir transistors em proporciona una capacitat de 100 mA per LED. El pont de díodes té una potència de 400 mA, de manera que la capacitat de 100 mA per LED només s’adapta. Hi ha un desavantatge; els transistors costen 10 cèntims, cadascun. Almenys els transistors que he triat han incorporat resistències: el número de referència de Digikey és MMUN2211LT1OSCT-ND. Amb els transistors al seu lloc, els LED no parpellegen. Per a les làmpades de producció, crec que els transistors no seran necessaris si s'utilitzen LED "normals" de 20 mA. La placa de desenvolupament dissenyada en aquest pas és només per provar i desenvolupar. La placa podria ser molt més petita si s’utilitzessin resistències més petites. L'eliminació dels transistors també estalviaria un munt d'espai a la placa. El port de programació en circuit també es podria eliminar per a les plaques de producció. El principal punt del tauler de desenvolupament és demostrar l’esquema power / comm. De fet, després de rebre els taulers, vaig descobrir que hi havia un problema amb la disposició del tauler. El xip de pont d’ona completa té un pinout ridícul. Vaig haver de tallar dues traces i afegir dos cables de pont a la part inferior de cada tauler. A més, les traces dels LED i del connector són massa primes. Bé, viu i aprèn. No serà la primera vegada que vaig fer un nou disseny de taulers. Vaig fer vuit taulers fets amb BatchPCB. Tenen els millors preus, però són tan sols. Van trigar setmanes a recuperar els taulers. Tot i això, si teniu en compte el preu, BatchPCB és l'única manera de seguir. Tanmateix, tornaré a passar pels circuits AP; són molt ràpids. Només m’agradaria que tinguessin una manera més barata d’enviar els taulers fora del Canadà. AP Circuits em fa arribar 25 dòlars d’enviament per cada comanda. Em fa mal si només compro taulers per valor de 75 dòlars. Vaig trigar dos dies a soldar els vuit taulons. Va trigar un altre dia a esbrinar que la resistència de tracció R6 (vegeu l’esquema) estava embolicant-se amb mi. Suposo que la resistència R6 no és necessària. Després de llegir el full de dades, em va preocupar i em va indicar que no hi ha cap tipus de pull-ups intern en aquest pin d'entrada. Segons el meu disseny, el pin està activat tot el temps de manera activa, de manera que no és realment necessari un pull-up. Per enviar ordres al tauler he utilitzat senzills missatges de 9600 bauds des d’un programa Python. El RS232 en brut que surt del PC es converteix en TTL mitjançant un xip MAX232. El senyal RS232 TTL va a l'entrada de control H-Bridge. El RS232 TTL també passa per una porta inversora en un xip 74HC04. El RS232 invertit passa a l'altra entrada de control H-Bridge. Per tant, sense trànsit RS232, el pont H produeix 6 volts. Per a cada bit del RS232, el pont H canvia la polaritat a -6 volts mentre duri el bit RS232. Vegeu les imatges del diagrama de blocs a continuació. També s’adjunta el programa Python. Per als LEDs, he comprat un munt de https://besthongkong.com. Tenien LED brillants de 120 graus en vermell / verd / blau / blanc. Recordeu, els LED que he fet servir només per provar-los. Vaig comprar un 100 de cada color. Aquests són els números dels LED que he utilitzat: Blau: 350mcd / 18 centaus / 3,32V @ 20mAGreen: 1500mcd / 22 centaus / 3,06V @ 20mA Blanc: 1500mcd / 25 centaus / 3,55V @ 20mARed: 350mcd / 17 centaus / 2,00V @ 20mAUtilitzant aquests quatre LED per omplir la llum, sumen un cost tant com el micro a 82 cèntims. Vaja.

Pas 4: programari

El programari realitza aquest projecte! El codi font del 12F609 és realment complicat. Estic fent servir la darrera ubicació de memòria. El meu codi ha consumit els 64 bytes. Em queden uns 32 bytes de flash de sobres com a recanvi. Per tant, estic fent servir el 100% de la memòria RAM i el 97% del flaix. Tot i això, és sorprenent la quantitat de funcionalitat que obtingueu per a tota aquesta complexitat. La comunicació a cada llum s’arxiva enviant paquets de dades de vuit bytes. Cada paquet de dades acaba amb una suma de comprovació, de manera que realment hi ha set bytes de dades més una suma de comprovació final. A 9600 bauds, un paquet de dades triga poc més de 8 mil·lisegons a arribar. El truc és fer múltiples tasques mentre arriba el paquet de bytes. Si algun dels LEDs està actiu amb un senyal PWM, el PWM de sortida s'ha de mantenir actualitzat fins i tot mentre es rebin nous bytes de paquets. Aquest és el truc. Vaig trigar setmanes i setmanes a solucionar-ho. Vaig passar una gran quantitat de temps treballant amb el meu Logiport LSA intentant seguir cada bit. Aquest és un dels codis més complicats que he escrit mai. És perquè el micro és tan limitat. En els micros més potents, és fàcil escriure codi solt i fàcil i fer-ne una ràpida descàrrega de micro sense queixar-se. Amb el 12F609, qualsevol codi solt amb el vostre cost li costarà molt. Tot el codi font micro s’escriu en C, excepte la rutina del servei d’interrupcions. Per què podeu demanar paquets de dades tan grans? Bé, perquè volem que els LED augmentin i baixin per compte propi. Una vegada que es carrega un perfil de rampa, el LED es pot apagar i començar a augmentar fins i tot mentre es reben comandes noves per a un altre LED. Cada llum ha de rebre i descodificar tot el trànsit de paquets de dades, fins i tot si el paquet no està pensat per a això. Un perfil LED consta d’un nivell d’inici, temps d’espera inicial, velocitat de rampa, nivell superior, temps d’espera superior, velocitat de baixada, nivell inferior. Vegeu el diagrama adjunt. Vaja, això és molt per a un LED. Ara, multipliqueu el nombre de LEDs. Es fa massa: només podia fer un seguiment de tres LED amb perfils de rampa complets. El quart (LED blanc al tauler de desenvolupament) només té rampa de / capaç. És un compromís. Feu una ullada a la imatge adjunta d’un perfil de rampa. El senyal PWM es genera mitjançant un temporitzador que funciona a 64 uS per tick. El temporitzador de vuit bits es gira cada 16,38 mS. Això significa que el senyal PWM funciona a 61,04Hz. Això no serveix per a la captura de vídeo. Per tant, he utilitzat un truc de programari i he saltat un parell de comptes addicionals al temporitzador per estirar-lo a 60Hz. Això fa que la captació de vídeo sembli molt millor. A cada desplaçament del temporitzador PWM (16,67 ms) actualitzo el perfil de rampa. Per tant, cada tick de rampa / estada és 1/60 de segon, o 60Hz. El segment de perfil més llarg (amb un recompte de 255) durarà 4,25 segons i el més curt (amb un recompte d’1) dura 17 ms. Això proporciona un bon abast per treballar-hi. Feu un cop d'ull a la imatge adjunta de l'analitzador lògic. Per veure realment el detall a la imatge, obriu-la en mode d'alta resolució. Això requereix un parell de clics addicionals al lloc web instructiu. També hi ha un dibuix d’un perfil que es mostra a continuació. La documentació del protocol d’ordres es troba a la llista de tasques. Tinc previst escriure un tipus de document de full de dades per descriure al protocol completament. He començat un full de dades per al xip: ara hi ha una versió preliminar al meu lloc web.

Pas 5: possibles aplicacions

Llum de l'arbre de Nadal: segur que crec que un arbre ple d'aquests nadons seria fantàstic. Puc imaginar un agradable resplendor càlid de llums verds amb una neu lleugera que cau a través de l’arbre. Potser un desvaniment lent del verd al vermell amb la caiguda de neu aleatòria. Les llums del caçador que formen un patró d’espiral d’hèlix amunt i avall de l’arbre també serien netes. De bast, vaig a aparcar aquest arbre al jardí i tornaré boig al "Jones" del costat. Llum d’accent: qualsevol cosa que necessiti il·luminació d’accent és un objectiu d’aquestes làmpades. El meu cunyat vol posar-los al fons de la seva peixera. Un amic vol accentuar el seu motor hot rod: si trepitgeu el pedal del gas, augmentaria un flaix vermell. També estava pensant en construir-ne un amb les meves làmpades: https://www.instructables.com/id/LED_Paper_Craft_Lamps/ Seria un gran projecte Cub Scouts. Plegament de cordes LED: es podrien plegar una sèrie de làmpades LED. Es poden plegar set làmpades en un patró de LED de set segments. Es podria fer una pantalla enorme: seria una pantalla de compte enrere per als nous anys. O potser, una pantalla per mostrar el mercat de valors: dígits vermells els dies dolents i verds els bons. Potser una pantalla gran que mostri la temperatura exterior. Grid 3D Si pengeu i organitzeu una cadena de LEDs, es podria crear fàcilment una quadrícula 3D de LEDs. Hi ha alguns exemples de matriu de LED 3D interessants a YouTube. No obstant això, els exemples existents que he vist semblen petits i dolorosos. Potser també hi hagi una gran quadrícula 3D al pati durant el Nadal. Connector WinAmp: Tothom que ha estat al meu laboratori i ha vist els llums, pregunta si balla amb música. Vaig fer una mica d’excavació, sembla que seria bastant fàcil afegir un complement a WinAmp. El connector enviava missatges a una cadena de làmpades adjunta perquè els llums se sincronitzessin amb la música que reproduïa WinAmp. Sincronitzar música nadalenca amb el meu arbre de Nadal seria fantàstic. Controlador de robot incorporat Baby Orangutan B-328 amb pont H: el petit controlador de Pololu seria perfecte. Consulteu: https://www.pololu.com/catalog/product/1220 Aquest tauler ja té un pont H preparat. Es poden programar patrons de làmpades al micro perquè es pugui apagar el PC. 802.15.4: en afegir 802.15.4, les làmpades es podrien convertir en sense fils. Per a les llums dels arbres de Nadal repartides per casa, això seria fantàstic. O bé, seria possible afegir llums a totes les finestres d’un gran complex constructiu. Far del far rotatiu: el meu fill tenia un projecte escolar per construir un far. La idea era construir una llum cursiva amb bateria amb un interruptor de clip perquè el far s’encengués realment. Cap fill meu no anirà a l'escola amb això quan pugui tenir una balisa rotativa a tota volada. Mireu les imatges i el vídeo adjunt.

Pas 6: resum

Em sorprèn realment que cada llum tingui 2 MIPS de potència en un SOIC-8 per 80 cèntims. A mesura que s’estén una cadena de llums afegint més làmpades, la quantitat de MIPS a la cadena també augmenta. En altres paraules, es tracta d'un disseny escalable. Una cadena de 16 làmpades tarareja juntament amb 32 MIPS de potència de processament. Simplement genial. Encara queda molta feina per fer: cal actualitzar la taula de desenvolupament. Hi ha un parell d’errors de disseny que cal corregir. Sembla que el cablejat de sortida d’error de comunicació no funciona amb la sortida del transistor. Encara no estic segur de per què: encara no he dedicat cap temps a solucionar-ho. El codi de comunicació de recepció també necessita una mica més de treball. En veure els LEDs, puc veure que hi ha errors de comunicació cada cert temps. Sembla que hi ha una mitjana d’un error aleatori per cada 1000 missatges. Necessito trobar un fabricant SMD que estigui disposat a fabricar-me taulers. Potser Spark Fun estaria interessat? Tinc un amic a Hong Kong que podria trobar-me amb un fabricant. El muntatge de la junta ha de ser automatitzat. Simplement no és factible construir aquestes taules a mà com jo. Cal desenvolupar una placa d’interfície de PC. Això hauria de ser molt senzill: només cal dedicar-s’hi el temps. El cost és el cost: un cost mínim de la llum (80 centaus per al micro + tres LED a 10 centaus cadascun + placa / resistències / pont de díode de 20 centaus)) un total de potser 1,50 dòlars. Afegiu muntatge, cablejat i beneficis i estem parlant de 2,00 a 2,50 dòlars per llum. Els geeks pagaran 40 dòlars per una cadena de 16 làmpades RGB en una cadena? En resum, espero que hi hagi interès per part de la gent del bricolatge. Amb alguns comentaris positius, continuaré perseguint convertir aquesta idea en un producte. Podria imaginar vendre xips, taules de desenvolupament de làmpades i cordes de llum completes. Doneu-me alguns comentaris i feu-me saber què en penseu. Per obtenir més informació i notícies sobre desenvolupament continu, visiteu el meu lloc web a https://www.powerhouse-electronics.com Gràcies, Jim Kemp