Projetando uma lâmpada PWM de LED de vários nós: 6 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:40

Este instrutível irá mostrar como eu projetei um controlador de lâmpada PWM LED. Várias lâmpadas podem ser colocadas juntas para fazer grandes fios de luz. Criar algumas luzes LED que piscam para o Natal sempre esteve na minha lista de desejos. No Natal passado eu realmente comecei a pensar em construir algo. Meu primeiro pensamento foi, cada lâmpada LED poderia simplesmente ser conectada a um par de fios. A energia para as lâmpadas LED pode ser um sinal AC que varre de uma frequência baixa para uma frequência alta. Um filtro passa-banda embutido em cada lâmpada acendia o LED quando a frequência correspondia à frequência central do filtro passa-banda. Se os filtros passa-banda estivessem configurados corretamente, uma sequência de perseguição de LEDs poderia ser feita. Na verdade, saltando para frequências diferentes em vez de varrer, qualquer um dos LEDs poderia ser ligado. Usando um chip de driver H-Bridge, direcionar a frequência desejada pelos fios não deve ser muito difícil. Bem, eu só chego mal em design analógico - sou mais um cara de software. Depois de alguns testes de bancada, desisti rapidamente de usar o analógico. O que eu realmente queria era uma lâmpada LED que pudesse ser totalmente controlada para exibir qualquer cor que eu quisesse. Ah, e ele deve ser capaz de usar PWM (modulação por largura de pulso) para que os LEDs possam ser ligados ou desligados em padrões muito legais. O que se segue neste instrutível é uma descrição de um design muito legal baseado em um microprocessador Microchip que saiu do meu desejo por luzes de árvore de Natal. Dê uma olhada rápida no vídeo abaixo para ver rapidamente o que o controlador de lâmpada PWM LED Kemper é capaz de exibir. Observe que é difícil obter um bom vídeo de LEDs em ação que usam PWM para controle de intensidade. É o mesmo problema quando você tenta gravar um monitor de computador. Os 60 Hz dos LEDs entram em uma luta de frequência de batida com os 30 Hz da camcorder. Portanto, embora haja momentos em que o vídeo dos LEDs fica um pouco "problemático", esse não é realmente o caso. Os LEDs não parecem ter falhas quando vistos pelo olho humano. Consulte a etapa do software abaixo para obter mais informações sobre a escuta de vídeo de LEDs.

Etapa 1: metas de design

Depois de passar as férias de Natal pensando neste projeto, eu fiz uma lista de desejos. Aqui estão alguns dos recursos (classificados em ordem) que eu queria com meu controlador de LED: 1) Cada lâmpada de LED deve ser o mais barata possível. Uma série de 100 lâmpadas custará muito se cada lâmpada custar muito. O custo, portanto, é um fator importante.2) Cada lâmpada terá um minúsculo micro integrado que acionará os LEDs. O minúsculo micro irá gerar sinais PWM para que os LEDs possam ser escurecidos ou desbotados. Os LEDs podem ter uma aparência desagradável quando simplesmente ligados e desligados. Usando sinais PWM, os LEDs podem ser aumentados e diminuídos sem as bordas rígidas normais aos LEDs.3) Para manter a fiação simples, cada lâmpada aceitará comandos usando uma interface de dois fios. A energia e as comunicações compartilharão os mesmos dois fios. Os comandos para as lâmpadas dirão ao micro a bordo qual dos LEDs deve ser acionado com PWM.4) Deve ter uma aparência legal! Eu acho que isso realmente deveria ser renumerado para que seja o número um. Aqui estão alguns dos objetivos de design menores (nenhuma ordem particular): 1) Para o desenvolvimento, deve ser fácil de fazer o reflash / reprogramar no circuito.2) Um PC deve ser capaz de gere os comandos para as lâmpadas. Isso torna o desenvolvimento de padrões muito mais fácil do que usar outro micro embutido.3) Cada lâmpada deve ter um endereço exclusivo. Cada LED, dentro de uma lâmpada, também deve ser endereçável de forma exclusiva.4) O protocolo de comando deve suportar MUITAS lâmpadas em uma série de fios. O design atual suporta 128 lâmpadas em uma corda. Com 4 LEDs por lâmpada que funciona até 512 LEDs em uma cadeia de dois fios! Observe também que cada um desses 512 LEDs tem PWM completo para acioná-lo.5) O protocolo deve ter um comando que diga: "Comece a diminuir o LED deste nível para aquele nível". Depois que o desbotamento começa, outros LEDs também podem ser configurados e definidos para desvanecer na mesma lâmpada. Em outras palavras, configure um LED em um padrão de desvanecimento e, em seguida, esqueça-o sabendo que o LED executará o comando. Isso implica software multitarefa no micro! 6) Deve haver comandos globais que afetem todas as lâmpadas de uma vez. Portanto, todos os LEDs podem ser comandados usando apenas um comando. Aqui estão alguns objetivos de design realmente menores (novamente, nenhuma ordem particular): 1) Precisa de uma maneira de ter um relatório de lâmpada quando ocorre um erro de comunicação. Isso permitiria que o comando fosse reenviado.2) O protocolo de comando precisa de uma maneira de ter um padrão de correspondência global sofisticado. Isso permitiria que cada x número de lâmpadas fosse selecionado com um comando. Isso tornaria mais fácil fazer padrões de perseguição com um grande número de lâmpadas. Por exemplo, isso permitiria que um comando fosse enviado a cada três lâmpadas em uma fileira de lâmpadas. Então, o próximo comando pode ser enviado para o próximo grupo de três. 3) Um sistema lógico de detecção de polaridade de comunicação automática também seria ótimo. Então, a polaridade dos dois fios de alimentação para as lâmpadas LED torna-se sem importância. Consulte a seção de hardware para obter mais informações sobre esse recurso.

Etapa 2: Prototipagem:

Agora é início de janeiro e vou embora. Encontrei o 10F206 na Digikey e é muito barato! Então, giro uma placa proto para segurar um micro 10F206 da Microchip. Projetei uma placa rápida porque o 10F2xx não está disponível em um pacote DIP. Resumindo, eu não queria me preocupar com o pequeno chip. (Eu estava tão confiante em janeiro) Também comprei um novo compilador CSS C voltado para os micros 10F2xx. A família de chips 10F2xx é muito barata! Com grandes esperanças, mergulhei e comecei a escrever muitos códigos. O 10F206 tem incríveis 24 bytes de RAM - o chip também possui 512 bytes de flash e um temporizador de oito bits. Embora os recursos sejam escassos, o preço é bom em 41 centavos em grandes quantidades. Meu Deus, um milhão de instruções por segundo (1 MIPS) por 41 centavos! Eu simplesmente amo a Lei de Moore. Evan com preços únicos, o 10F206 da Digikey está cotado a 66 centavos. Passei muito tempo trabalhando com o 10F206. Enquanto trabalhava com o 10F206, descobri que a multitarefa é absolutamente necessária. Os sinais de saída PWM DEVEM ser mantidos atualizados mesmo durante o recebimento de novas mensagens de comunicação. Qualquer interrupção na atualização dos sinais PWM será vista como falhas nos LEDs. O olho humano é muito bom em ver falhas. Existem alguns problemas fundamentais com o chip 10F206. Pelo menos problemas fundamentais para minha aplicação. O primeiro problema é que não há interrupções! Capturar o início de novas comunicações usando um loop de pesquisa causa erros de cronometragem. Um segundo problema é que existe apenas um temporizador. Eu simplesmente não consegui encontrar uma maneira de receber comandos enquanto mantenho as saídas PWM. Os LEDs piscariam cada vez que um novo comando fosse recebido. Compartilhar o cronômetro entre o recebimento de comandos e o direcionamento das saídas PWM também era um grande incômodo para o software. Não consegui zerar o cronômetro enquanto recebia um novo caractere porque o cronômetro também estava sendo usado para controlar os sinais PWM. Enquanto trabalhava com o 10F206, vi um artigo na Circuit Cellar sobre o novo minúsculo micro MC9RS08KA1 da Freescale. Eu amo os chips Freescale - sou um grande fã de sua depuração BDM. Usei muito os chips Star12 no passado (escrevi todo o software para o sistema ultrassônico GM Cadillac & Lacern em um Star12 - meu software ultrassônico está em produção agora para esses dois carros). Então, eu estava realmente esperançoso de que seus novos minúsculos chips fossem bons. O preço é justo também, a Digikey tem esses chips listados a 38 centavos em grande quantidade. O Freescale era bom e me enviou algumas amostras grátis. No entanto, o chip Freescale 9RS08 parecia realmente bobo - eu não consegui fazer muito progresso com ele. O chip também sofre com a falta de interrupções e apenas um temporizador. Bem, pelo menos descobri tudo isso sem perder dinheiro girando outra placa protótipo. Veja as fotos abaixo. Agora eu sei - para minha aplicação, devo ter interrupções e mais de um temporizador. De volta ao Microchip, encontrei o chip 12F609. Possui interrupções e dois temporizadores. Ele também possui 1K de flash e 64 bytes de RAM. A desvantagem é o preço; A Digikey lista esses chips a 76 centavos em grande quantidade. Bem, a Lei de Moore cuidará disso em breve. No lado positivo, o 12F609 também pode ser pedido em pacotes DIP. No lado negativo, eu tive que comprar o próximo compilador de nível acima - que meio que queimou meu @ # $%^&.Agora é abril e aprendi muito sobre o que não funciona. Girei uma placa e desperdicei dinheiro em um compilador de que não preciso. Ainda assim, os testes até agora são encorajadores. Com o novo compilador e os chips 12F209 em pacotes DIP, os testes de bancada foram feitos rapidamente. O teste confirmou que eu tinha o chip certo. É hora de girar outra placa proto! Nesse ponto, estou determinado.

Etapa 3: 12F609 Placa de Desenvolvimento

OK, teste recente de bancada, estou pronto para tentar outra rotação de placa. Neste design de placa, eu realmente queria experimentar a ideia de enviar energia e comunicação pelos mesmos dois fios. Se os erros de comunicação fossem ignorados, apenas dois fios seriam necessários. Isso é muito legal! Embora o envio de comunicações pelos fios de energia seja frio, não é necessário. Todas as lâmpadas podem ser conectadas em um único fio de comunicação, se desejado. Isso significaria que cada lâmpada exigiria três fios com um quarto fio de status de feedback opcional. Veja o diagrama abaixo. A energia e a comunicação podem ser combinadas usando um H-Bridge simples. O H-Bridge pode conduzir grandes correntes sem nenhum problema. Muitos LEDs de alta corrente podem ser ligados em apenas dois fios. A polaridade da alimentação DC para as lâmpadas pode ser trocada muito rapidamente com o H-Bridge. Portanto, cada lâmpada usa uma ponte de onda completa para retificar a comutação DC de volta à alimentação DC normal. Um dos micro pinos conecta-se à alimentação CC de comutação de entrada bruta para que o sinal de comunicação possa ser detectado. Um resistor limitador de corrente protege a entrada digital no micro. Dentro do pino de entrada micro, a tensão DC de comutação bruta é presa usando os diodos de campo internos do micro - a CC de comutação é presa (zero a Vcc volts) por esses diodos. A ponte de onda completa que retifica a potência de entrada gera duas quedas de diodo. As duas quedas de diodo da ponte são simplesmente superadas ajustando-se a tensão de alimentação da ponte H. Uma tensão H-Bridge de seis volts fornece uma boa fonte de cinco volts no micro. Resistores de limitação individuais são então usados para ajustar a corrente através de cada LED. Este esquema de alimentação / comunicação parece funcionar muito bem. Eu também queria tentar adicionar saídas de transistor entre o micro e os LEDs. Durante o teste de bancada, se o 12F609 for pressionado para forte (muita corrente em seu caminho de saída), ele irá piscar todas as saídas. A corrente máxima para todo o chip de acordo com a folha de dados que o 12F609 pode suportar é 90mA, no total. Bem, isso não vai funcionar! Eu só posso precisar de muito mais corrente do que isso. Adicionar transistores me dá capacidade de 100mA por LED. A ponte de diodo é classificada em 400mA, portanto, 100mA por capacidade de LED é adequada. Existe uma desvantagem; os transistores custam 10 centavos cada. Pelo menos os transistores que escolhi têm resistores embutidos - o número da peça Digikey é MMUN2211LT1OSCT-ND. Com os transistores no lugar, NÃO há oscilação dos LEDs. Para lâmpadas de produção, acho que os transistores não serão necessários se LEDs de 20 mA "normais" forem usados. A placa de desenvolvimento projetada nesta etapa é apenas para teste e desenvolvimento. A placa poderia ser muito menor se resistores menores fossem usados. Eliminar os transistores também economizaria muito espaço na placa. A porta de programação no circuito também pode ser removida para placas de produção. O ponto principal da placa de desenvolvimento é apenas provar o esquema de energia / comunicação. Na verdade, depois de receber as placas, descobri que há um problema com o layout da placa. O chip ponte de onda completa tem uma pinagem estúpida. Tive que cortar dois rastros e adicionar dois fios de ligação na parte inferior de cada placa. Além disso, os traços dos LEDs e do conector são muito finos. Bem, vivendo e aprendendo. Não será a primeira vez que errarei em um novo layout de placa. Tive oito placas feitas usando BatchPCB. Eles têm os melhores preços, mas são muuuuito sloooow. Demorou semanas para recuperar as placas. Ainda assim, se você é sensível ao preço, o BatchPCB é o único caminho a percorrer. No entanto, vou voltar para os Circuitos AP - eles são muito rápidos. Eu só queria que eles tivessem uma maneira mais barata de enviar as pranchas para fora do Canadá. A AP Circuits gasta 25 dólares em frete para cada pedido. Isso dói se eu estiver comprando apenas 75 dólares em placas. Levei dois dias para soldar as oito pequenas placas. Demorou mais um dia para descobrir que o resistor pull-up R6 (veja o esquema) estava me bagunçando. Eu acho que o resistor R6 simplesmente não é necessário. Fiquei preocupado depois de ler a folha de dados e ela indicou que não há micro pull-ups internos neste pino de entrada. No meu projeto, o pino é acionado ativamente o tempo todo de qualquer maneira, portanto, um pull-up não é realmente necessário. Para enviar comandos para a placa, usei mensagens simples de 9600 bauds de um programa Python. O RS232 bruto que sai do PC é convertido em TTL usando um chip MAX232. O sinal TTL RS232 vai para a entrada de controle H-Bridge. O RS232 TTL também passa por uma porta inversora em um chip 74HC04. O RS232 invertido então vai para a outra entrada de controle H-Bridge. Portanto, sem tráfego RS232, a H-Bridge produz 6 volts. Para cada bit no RS232, o H-Bridge muda a polaridade para -6 volts enquanto durar o bit RS232. Veja as fotos do diagrama de blocos abaixo. O programa Python também está anexado. Para os LEDs, comprei um monte em https://besthongkong.com. Eles tinham LEDs brilhantes de 120 graus em vermelho / verde / azul / branco. Lembre-se de que os LEDs que usei são apenas para teste. Comprei 100 de cada cor. Aqui estão os números para os LEDs que usei: Azul: 350mcd / 18 centavos / 3,32V @ 20m Tela: 1500mcd / 22 centavos / 3,06V @ 20mA Branco: 1500mcd / 25 centavos / 3,55V @ 20mARed: 350mcd / 17 centavos / 2,00V @ 20mAUsando esses quatro LEDs para preencher a lâmpada, eles custam tanto quanto o micro a 82 centavos! Ai.

Etapa 4: Software

O software realmente faz este projeto funcionar! O código-fonte no 12F609 é realmente complicado. Estou usando o último local de memória! Todos os 64 bytes foram consumidos pelo meu código. Tenho impressionantes 32 bytes de memória flash sobrando como sobressalentes. Portanto, estou usando 100% da RAM e 97% do flash. No entanto, é incrível a quantidade de funcionalidade que você obtém com toda essa complexidade. A comunicação com cada lâmpada é arquivada enviando pacotes de dados de oito bytes. Cada pacote de dados termina com uma soma de verificação - então, na verdade, há sete bytes de dados mais uma soma de verificação final. Em 9600 baud, um pacote de dados leva pouco mais de 8 milissegundos para chegar. O truque é realizar várias tarefas enquanto o pacote de bytes está chegando. Se algum dos LEDs estiver ativo com um sinal PWM, o PWM de saída deve ser mantido atualizado mesmo durante o recebimento de novos bytes de pacote. Esse é o truque. Levei semanas e semanas para resolver isso. Passei muito tempo trabalhando com meu Logiport LSA tentando acompanhar cada bit. Este é um dos códigos mais complicados que já escrevi. É porque o micro é muito limitado. Em micros mais poderosos, é fácil escrever código livre / fácil e fazer com que o micro veloz o rasgue sem reclamar. Com o 12F609, qualquer código avulso custa bastante para você. Todo o código-fonte do micro é escrito em C, exceto para a rotina de serviço de interrupção. Por que ter pacotes de dados tão grandes, você pode perguntar. Bem, porque queremos que os LEDs aumentem e diminuam por conta própria. Uma vez que um perfil de rampa é carregado, o LED pode desligar e começar a acelerar, mesmo enquanto recebe novos comandos para outro LED. Cada lâmpada deve receber e decodificar todo o tráfego de pacote de dados, mesmo que o pacote não seja destinado a ele. Um perfil de LED consiste em um nível inicial, tempo de permanência inicial, taxa de aumento, nível superior, tempo de permanência superior, taxa de desaceleração, nível inferior. Veja o diagrama em anexo. Uau, isso é muito para um LED. Agora, multiplique isso pelo número de LEDs. Torna-se muito - só consegui controlar três LEDs com perfis de rampa completos. O quarto (LED branco na placa de desenvolvimento) tem apenas capacidade de rampa de / para. É um compromisso. Dê uma olhada na foto anexada de um perfil de rampa. O sinal PWM é gerado por um cronômetro que está funcionando a 64uS por tick. O cronômetro de oito bits passa a cada 16,38 ms. Isso significa que o sinal PWM está funcionando a 61,04Hz. Isso não é bom para vídeo tapping! Então, usei um truque de software e pulei algumas contagens extras no cronômetro para esticá-lo para 60Hz. Isso faz com que o tapping de vídeo pareça muito melhor. A cada rollover do temporizador PWM (16.67mS), eu atualizo o (s) perfil (s) da rampa. Portanto, cada escala de rampa / pausa é 1/60 de segundo, ou 60Hz. O segmento de perfil mais longo (usando uma contagem de 255) vai durar 4,25 segundos e o mais curto (usando uma contagem de 1) dura 17 ms. Isso dá um bom intervalo para trabalhar. Dê uma olhada na foto anexada do analisador lógico. Para realmente ver os detalhes da foto, abra a foto em seu modo de alta resolução. Isso exige alguns cliques extras no site instrutível. Há também um desenho de um perfil mostrado abaixo. A documentação do protocolo de comando está na minha lista de tarefas. Eu pretendo escrever um tipo de documento de folha de dados para descrever o protocolo completamente. Comecei uma folha de dados para o chip - uma versão preliminar está no meu site agora.

Etapa 5: aplicações potenciais

Christmas Tree Light: Com certeza, eu acho que uma árvore cheia desses bebês seria simplesmente incrível. Posso imaginar um belo brilho quente de luzes verdes com neve caindo pela árvore. Talvez um desbotamento lento de verde para vermelho com neve caindo aleatoriamente. Luzes de artilharia fazendo um padrão espiral de hélice para cima e para baixo na árvore também seriam legais. Claro, vou estacionar esta árvore no quintal e deixar o "Jones" do lado louco. Pronto, tente vencer! Iluminação de realce: tudo o que precisa de iluminação de realce é um alvo para essas lâmpadas. Meu cunhado quer colocá-los no fundo de seu aquário. Um amigo quer acentuar seu motor hot rod - pisar no pedal do acelerador aumentaria um flash de luz vermelha. Eu também estava pensando em construir um destes com minhas lâmpadas: https://www.instructables.com/id/LED_Paper_Craft_Lamps/ Seria um ótimo projeto de escoteiros. Fio de LED dobrável: Um fio de lâmpadas de LED poderia ser dobrado em formas. Sete lâmpadas podem ser dobradas em um padrão de LED de sete segmentos. Um enorme display poderia ser feito - seria um ótimo display de contagem regressiva para o ano novo! Ou talvez, um display para mostrar o mercado de ações - dígitos vermelhos em dias ruins e verdes em dias bons. Talvez um grande display mostrando a temperatura externa.3D GridPuxando e organizando uma série de LEDs, uma grade 3D de LEDs poderia ser facilmente criada. Existem alguns exemplos interessantes de matriz de LED 3D no YouTube. No entanto, os exemplos existentes que vi parecem pequenos e dolorosos de conectar. Talvez uma grande grade 3D no quintal durante o Natal também. Plug-in WinAmp: Todos que estiveram em meu laboratório e viram as luzes, perguntam se eles dançam música. Eu fiz algumas pesquisas, parece que seria bastante fácil adicionar um plug-in ao WinAmp. O plug-in enviaria mensagens para uma série de lâmpadas anexadas para que as luzes fossem sincronizadas com a música que o WinAmp estava tocando. Sincronizar algumas músicas de Natal com a minha árvore de Natal seria incrível. Controlador de robô orangotango B-328 integrado com H-Bridge: O pequeno controlador da Pololu seria perfeito. Veja: https://www.pololu.com/catalog/product/1220 Esta placa já tem um H-Bridge pronto para funcionar. Os padrões de lâmpada podem ser programados no micro para que o PC possa ser desligado. 802.15.4: Adicionando 802.15.4, as lâmpadas podem se tornar sem fio. Para as luzes da árvore de Natal espalhadas pela casa, isso seria ótimo. Ou, seria possível adicionar lâmpadas a todas as janelas de um grande complexo de edifícios. Farol Farol Cool. Rotating ': Meu filho tinha um projeto escolar para construir um farol. A ideia era construir uma lâmpada barata alimentada por bateria com um interruptor de clipe de papel para que o farol acendesse de verdade. Nenhum filho meu irá para a escola com isso quando ele pode ter um farol rotativo completo! Dê uma olhada nas fotos e no vídeo em anexo.

Etapa 6: Resumo

Realmente me surpreende que cada lâmpada tenha 2 MIPS de potência em um SOIC-8 por 80 centavos. Conforme uma sequência de lâmpadas é estendida com a adição de mais lâmpadas, a quantidade de MIPS na sequência também aumenta. Em outras palavras, este é um design escalonável. Uma série de 16 lâmpadas está zumbindo junto com 32 MIPS de potência de processamento. Simplesmente incrível. Ainda há muito trabalho a ser feito. A placa de desenvolvimento precisa ser atualizada. Existem alguns bugs de layout que precisam ser corrigidos. A fiação da saída de erro de comunicação não parece funcionar com a saída do transistor. Ainda não tenho certeza do porquê - eu não gastei nenhum tempo resolvendo isso ainda. O recebimento do código de comunicação também precisa de um pouco mais de trabalho. Observando os LEDs, posso ver que ocorrem erros de comunicação de vez em quando. Parece que há uma média de um erro aleatório por 1000 mensagens. Preciso encontrar um fabricante SMD que esteja disposto a fazer painéis de lâmpadas para mim. Talvez Spark Fun esteja interessado? Tenho um amigo em Hong Kong que pode encontrar uma manufatura para mim. A montagem da placa deve ser automatizada. Simplesmente não é viável construir essas placas manualmente como eu fiz. Uma placa de interface para PC precisa ser desenvolvida. Isso deve ser muito fácil - é apenas uma questão de tempo para fazê-lo. O custo é rei - um custo de lâmpada minimizado (80 centavos para o micro + três LEDs a 10 centavos cada + placa / resistores / ponte de diodo de 20 centavos) um total de talvez US $ 1,50. Adicione montagem, fiação e lucro e estaremos falando de US $ 2,00 a US $ 2,50 por lâmpada. Os geeks pagarão US $ 40 por uma série de 16 lâmpadas RGB em uma corda? Resumindo, espero que haja interesse do pessoal do faça-você-mesmo. Com algum feedback positivo, continuarei a transformar essa ideia em um produto. Eu poderia imaginar a venda de chips, placas de desenvolvimento de lâmpadas e cadeias de luz completas. Me deu alguns comentários e me disse o que você pensa. Para obter mais informações e notícias de desenvolvimento contínuo, visite meu site em https://www.powerhouse-electronics.comObrigado, Jim Kemp