Design av en multi -node LED PWM -lampe: 6 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:26

Denne instruksen vil vise hvordan jeg designet en LED PWM lampekontroller. Flere lamper kan bindes sammen for å lage store lysstrenger. Å lage noen blinkende LED -lys til jul har alltid stått på ønskelisten min. Sist jul begynte jeg virkelig å tenke på å bygge noe. Min første tanke var at hver LED -lampe ganske enkelt kunne kobles til et par ledninger. Strømmen til LED -lampene kan være et vekselstrømssignal som vil feie fra en lav frekvens til en høy frekvens. Et båndpasfilter innebygd i hver lampe ville slå på LED-en når frekvensen samsvarer med senterfrekvensen til båndpassfilteret. Hvis bandpass-filtrene ble satt opp riktig, kunne det utføres en LED-jagesekvens. Virkelig, ved å hoppe til forskjellige frekvenser i stedet for å feie, kan en av lysdiodene slås på. Ved å bruke en H -Bridge driverbrikke, bør det ikke være for vanskelig å kjøre ønsket frekvens nedover ledningene. Vel, jeg stinker bare av analog design - jeg er mer programvare som en fyr. Etter et par benketester ga jeg raskt opp med å bruke analog. Det jeg virkelig ønsket var en LED -lampe som kunne kontrolleres fullt ut for å vise hvilken farge jeg ønsket. Åh, og den bør være i stand til å bruke PWM (pulsbreddemodulering) slik at lysdiodene kan slås på eller av i veldig kule mønstre. som falt ut av mitt ønske om juletre lys. Ta en rask titt på videoen nedenfor for å se raskt hva Kemper LED PWM Lamp Controller kan vise. Vær oppmerksom på at det er vanskelig å få en god video av lysdioder i bruk som bruker PWM for intensitetskontroll. Det er det samme problemet når du prøver å filme en dataskjerm. 60Hz av LEDene kommer inn i en slagfrekvenskamp med 30Hz på videokameraet. Selv om det noen ganger er videoen av lysdiodene som er litt "glitchy", er dette egentlig ikke tilfelle. Lysdiodene ser ikke ut til å ha noen feil når de sees av det menneskelige øyet. Se programvaresteget nedenfor for mer diskusjon om videotaping av lysdioder.

Trinn 1: Designmål

Etter å ha brukt juleferien på å tenke på dette prosjektet, kom jeg med en ønskeliste. Her er noen av funksjonene (sortert i rekkefølge) jeg ønsket med min LED -kontroller: 1) Hver LED -lampe må være så billig som mulig. En streng på 100 lamper vil koste en haug hvis hver lampe koster mye. Kostnad er derfor en viktig faktor. 2) Hver lampe vil ha en liten mikro ombord som driver LED -lampene. Den lille mikroen vil generere PWM -signaler slik at lysdiodene kan dempes eller falme. Lysdioder kan se harde ut når de bare slås på og av. Ved bruk av PWM-signaler kan lysdiodene falmes opp og ned uten at de harde kantene er normale for lysdioder. 3) For å holde ledningene enkle, godtar hver lampe kommandoer ved bruk av et to-leder grensesnitt. Strøm og kommunikasjon vil dele de samme to ledningene. Kommandoene til lampene vil fortelle den innebygde mikroen hvilken av lysdiodene som skal kjøres med PWM.4) Må se kult ut! Jeg antar at dette virkelig burde omnummereres, så det er nummer en. Her er noen av de mindre designmålene (ingen spesiell rekkefølge): 1) For utvikling må det være enkelt å omføle / omprogrammere kretsen. 2) En PC bør kunne generere kommandoene til lampene. Dette gjør utviklingen av mønstre mye enklere enn å bruke en annen innebygd mikro. 3) Hver lampe skal ha en unik adresse. Hver LED, inne i en lampe, må også være unikt adresserbar. 4) Kommandoprotokollen bør støtte MANGE lamper på en ledningsstreng. Den nåværende designen støtter 128 lamper på en streng. Med 4 lysdioder per lampe som fungerer til 512 lysdioder på en streng med to ledninger! Vær også oppmerksom på at hver av disse 512 lysdiodene har full PWM som driver den. 5) Protokollen skal ha en kommando som sier "Start å falme LED -en fra dette nivået til det nivået". Når fading starter, kan andre lysdioder også settes opp og settes til fading på den samme lampen. Med andre ord, sett opp en LED i et falmende mønster og glem den da du vet at LED -en vil utføre kommandoen. Dette innebærer multitasking -programvare på micro! 6) Det bør være globale kommandoer som påvirker alle lamper samtidig. Derfor kan alle lysdioder kommanderes ved hjelp av bare en kommando. Her er noen virkelig mindre designmål (igjen, ingen spesiell rekkefølge): 1) Trenger en måte å få en lamperapport tilbake når det oppstår en kommefeil. Dette vil tillate kommandoen å sendes på nytt. 2) Kommandoprotokollen trenger en måte å ha et fancy globalt matchmønster på. Dette ville tillate hvert x antall lamper å bli valgt med en kommando. Dette ville gjøre det lettere å lage jaktmønstre med et stort antall lamper. Som et eksempel vil dette tillate at en kommando sendes til hver tredje lampe på en lampestreng. Deretter kan den neste kommandoen sendes til den neste gruppen på tre. 3) Et logisk system for auto comm polarity detect vil også være flott. Deretter blir polariteten til de to mateledningene til LED -lampene uviktig. Se maskinvaredelen for mer om denne funksjonen.

Trinn 2: Prototyping:

Det er nå tidlig januar, og jeg drar. Jeg fant 10F206 på Digikey, og den er veldig billig! Så jeg spinner et prototavle for å holde en 10F206 mikro fra Microchip. Jeg designet et hurtigbrett fordi 10F2xx ikke er tilgjengelig i en DIP -pakke. Bunnlinjen, jeg ønsket ikke å slite med den lille brikken. (Jeg var så trygg tilbake i januar) Jeg gikk også ut og kjøpte en ny CSS C -kompilator rettet mot 10F2xx -mikroene. Chipsfamilien 10F2xx er veldig billig! Med store forhåpninger dykket jeg inn og begynte å skrive masse kode. 10F206 har hele 24 byte RAM - brikken har også 512 byte flash og en åtte -biters timer. Selv om ressursene er sparsomme, er prisen god til 41 cent i store mengder. Herregud, en million instruksjoner per sekund (1 MIPS) for 41 cent! Jeg bare elsker Moores lov. Evan til engangspriser, 10F206 fra Digikey er oppført til 66 cent. Jeg brukte mye tid på å jobbe med 10F206. Mens jeg jobbet med 10F206 oppdaget jeg at multitasking er absolutt nødvendig. PWM -utgangssignalene MÅ holdes oppdatert selv om du mottar nye kommunikasjonsmeldinger. Eventuelle avbrudd i oppdateringen av PWM -signalene vil bli sett på som feil på lysdiodene. Det menneskelige øyet er veldig flink til å se feil. Det er et par grunnleggende problemer med 10F206 -brikken. I det minste grunnleggende problemer for søknaden min. Det første problemet er at det ikke er noen avbrudd! Å fange starten på ny kommunikasjon ved hjelp av en avstemningssløyfe gir timefeil. Et annet problem er at det bare er en timer. Jeg kunne bare ikke finne en måte å motta kommandoer mens jeg vedlikeholdt PWM -utgangene. Lysdiodene ville svikte hver gang en ny kommando ble mottatt. Å dele tidtakeren mellom å motta kommandoer og kjøre PWM -utgangene var også et stort problem for programvaren. Jeg kunne ikke tilbakestille timeren mens jeg mottok et nytt tegn fordi timeren også ble brukt til å kontrollere PWM -signalene. Mens jeg jobbet med 10F206 så jeg en artikkel i Circuit Cellar om Freescales nye lille MC9RS08KA1 mikro. Jeg elsker Freescale -chips - jeg er en stor fan av deres BDM -feilsøking. Jeg brukte Star12 -brikkene mye tidligere (jeg skrev all programvaren for ultralydsystemet GM Cadillac & Lacern på et Star12 - ultralydprogramvaren min er i produksjon nå på disse to bilene). Så jeg var virkelig håpefull om at deres nye små chips ville være bra. Prisen er også riktig, Digikey har disse sjetongene oppført til 38 cent i stor mengde. Gratis skala var bra og sendte meg noen gratis prøver. Imidlertid virket Freescale 9RS08 -brikken virkelig dum - jeg kunne ikke gjøre store fremskritt med den. Brikken lider også med mangel på avbrudd og bare en timer. Vel, jeg skjønte det i det minste uten å kaste bort penger på å snurre et annet proto -brett. Se bildene nedenfor. Nå vet jeg - for søknaden min må jeg ha avbrudd og mer enn én tidtaker. Tilbake til Microchip, jeg fant 12F609 -brikken. Den har avbrudd og to tidtakere. Den har også 1K flash og 64 byte RAM. Ulempen er prisen; Digikey viser disse sjetongene til 76 cent i store mengder. Vel, Moores lov vil ta seg av det snart nok. På plussiden kan 12F609 også bestilles i DIP -pakker. På minussiden måtte jeg kjøpe kompilatoren på neste nivå - det brant litt på min##$%^&.Det er nå april, og jeg har lært mye om hva som ikke vil fungere. Jeg har spunnet et brett og kastet bort penger på en kompilator som jeg ikke trenger. Likevel er testing så langt oppmuntrende. Med den nye kompilatoren og 12F209 -brikkene i DIP -pakker gikk benketesting raskt. Testen bekreftet at jeg hadde den riktige brikken. På tide å snurre et nytt prototavle! På dette punktet er jeg bestemt.

Trinn 3: 12F609 Development Board

OK, ny test fra benken, jeg er klar til å prøve et nytt brettspinn. I denne brettdesignen ønsket jeg virkelig å prøve ideen om å sende strøm og kommunikasjon over de samme to ledningene. Hvis komm feil ble ignorert, ville bare to ledninger være nødvendig. Det er rett og slett kult! Selv om det er kult å sende kommunikasjon over strømledningene, er det ikke nødvendig. Alle lampene kan kobles sammen på en enkelt ledning hvis ønskelig. Dette vil bety at hver lampe vil kreve tre ledninger med en fjerde valgfri tilbakemeldingsstatusledning. Se diagrammet nedenfor. Strøm og kommunikasjon kan kombineres ved hjelp av en enkel H-bro. H-broen kan kjøre store strømmer uten problemer. Mange lysdioder med høy strøm kan klydes sammen på bare to ledninger. Polariteten til likestrømmen til lampene kan byttes veldig raskt med H-broen. Så, hver lampe bruker en fullbølge -bro for å rette opp bytte DC tilbake til normal likestrøm. En av mikropinnene kobles til den rå innkommende vekselstrømmen, slik at kommunikasjonssignalet kan detekteres. En strømbegrensende motstand beskytter den digitale inngangen på mikroen. Inne i mikroinngangsstiften klemmes den rå byttende likestrømsspenningen ved hjelp av mikroens interne leirdioder - bryter DC blir klemt (null til Vcc volt) av disse dioder. Hele bølgebroen som korrigerer den innkommende effekten genererer to diodedråper. De to diodedråpene fra broen overvinnes ganske enkelt ved å justere H-Bridge-forsyningsspenningen. En seks-volts H-Bridge spenning gir en fin fem-volt forsyning på mikroen. Individuelle begrensningsmotstander brukes deretter til å trimme strømmen gjennom hver LED. Dette power / comm -skjemaet ser ut til å fungere veldig bra. Jeg ville også prøve å legge til transistorutganger mellom mikro og lysdioder. Under benketesting, hvis 12F609 skyves for hardt (for mye strøm i utgangsbanen), vil den flimre alle utgangene. Maksimal strøm for hele brikken i henhold til databladet som 12F609 kan støtte er 90mA, totalt. Vel, det kommer ikke til å fungere! Jeg trenger bare mye mer aktuell enn det. Ved å legge til transistorer får jeg 100mA per LED. Diodebroen er vurdert til 400mA, så 100mA per LED -funksjon passer akkurat. Det er en ulempe; transistorene koster 10 cent hver. I det minste har transistorene jeg valgte bygget inn motstander - Digikey -delenummeret er MMUN2211LT1OSCT -ND. Med transistorene på plass er det ingen flimring av lysdiodene. For produksjonslamper tror jeg at transistorene ikke vil være nødvendige hvis "normale" 20mA lysdioder brukes. Utviklingskortet designet i dette trinnet er bare for testing og utvikling. Brettet kunne vært mye mindre hvis mindre motstander ble brukt. Å eliminere transistorene ville spare en haug med plass på plassen også. In-krets programmeringsporten kan også fjernes for produksjonstavler. Hovedpoenget med utviklingsstyret er bare å bevise makt/komm -ordningen. Faktisk, etter å ha mottatt brettene, oppdaget jeg at det er et problem med layouten på brettet. Broen med full bølge har en tullete pinout. Jeg måtte kutte to spor og legge til to hoppetråder i bunnen av hvert brett. I tillegg er sporene til lysdiodene og kontakten bare for tynne. Vel, lev og lær. Vil ikke være første gang jeg tøffer på et nytt brettoppsett. Jeg hadde åtte brett laget med BatchPCB. De har de beste prisene, men de er veldig sløve. Det tok uker å få brettene tilbake. Likevel, hvis din prissensitive er, er BatchPCB den eneste veien å gå. Imidlertid skal jeg bytte tilbake til AP Circuits - de er super raske. Jeg skulle bare ønske de hadde en billigere måte å sende brettene ut av Canada. AP Circuits gir meg 25 dollar i frakt for hver ordre. Det gjør vondt hvis jeg bare kjøper brett på 75 dollar. Det tok meg to dager å lodde opp de åtte små brettene. Det tok en dag til å finne ut at opptrekksmotstanden R6 (se skjematisk) rotet med meg. Jeg antar at motstanden R6 bare ikke er nødvendig. Jeg var bekymret etter å ha lest databladet, og det indikerte at det ikke er noen interne mikro-pull-ups på denne inngangspinnen. I mitt design er pinnen aktivt drevet hele tiden uansett, så det er ikke nødvendig med en pull-up tross alt. For å sende kommandoer til brettet brukte jeg enkle 9600-baud-meldinger fra et Python-program. Den rå RS232 som kommer ut av PC -en konverteres til TTL ved hjelp av en MAX232 -brikke. RS232 TTL-signalet går til H-Bridge-kontrollinngangen. RS232 TTL går også gjennom en inverterport i en 74HC04 -brikke. Den inverterte RS232 går deretter til den andre H-Bridge-kontrollinngangen. Så, uten RS232-trafikk, gir H-Bridge ut 6 volt. For hver bit på RS232, vender H -broen polariteten til -6 volt så lenge RS232 -biten varer. Se blokkdiagrambildene nedenfor. Python -programmet er også vedlagt. For lysdiodene kjøpte jeg en haug fra https://besthongkong.com. De hadde lyse 120 graders lysdioder i rød/grønn/blå/hvit. Husk at lysdiodene jeg brukte bare er til testing. Jeg kjøpte 100 av hver farge. Her er tallene for lysdiodene jeg brukte: Blå: 350mcd / 18 cent / 3,32V @ 20mAGreen: 1500mcd / 22 cent / 3,06V @ 20mAHvit: 1500mcd / 25 cent / 3,55V @ 20mARed: 350mcd / 17 cent / 2,00V @ 20mA Ved å bruke disse fire lysdiodene til å fylle ut lampen, kan de koste like mye som mikroen på 82 cent! Au.

Trinn 4: Programvare

Programvaren får virkelig dette prosjektet til å krysse av! Kildekoden i 12F609 er veldig komplisert. Jeg bruker den siste minneplassen! Alle 64 byte har blitt brukt av koden min. Jeg har hele 32 byte flash til overs. Så jeg bruker 100% av RAM og 97% av blitsen. Imidlertid er det utrolig hvor mye funksjonalitet du får for all den kompleksiteten. Kommunikasjon til hver lampe arkiveres ved å sende åtte-byte datapakker. Hver datapakke ender med en kontrollsum - så egentlig er det syv byte med data pluss en siste kontrollsum. På 9600 baud tar en datapakke litt over 8 millisekunder å ankomme. Trikset er å multitaske mens pakken med byte kommer. Hvis noen av lysdiodene er aktive med et PWM -signal, må PWM -utgangen holdes oppdatert selv om du mottar nye pakkebyte. Det er trikset. Det tok meg uker og uker å ordne opp i dette. Jeg brukte mye tid på å jobbe med Logiport LSA på å prøve å følge hver bit. Dette er noen av de mest kompliserte kodene jeg noen gang har skrevet. Det er fordi mikro er bare så begrenset. På mikroer som er kraftigere, er det lett å skrive løs/enkel kode og få den raske mikroen til å rive gjennom den uten å klage. Med 12F609 koster enhver løs kode mye. All mikrokildekoden er skrevet i C bortsett fra avbruddsrutinen. Hvorfor ha så store datapakker kan du spørre. Fordi vi vil at lysdiodene skal gå opp og ned av seg selv. Når en rampeprofil er lastet, kan lysdioden slukke og begynne å rampe selv om den mottar nye kommandoer for en annen LED. Hver lampe må motta og dekode all datapakketrafikk, selv om pakken ikke er ment for det. En LED -profil består av et startnivå, startoppholdstid, rampefrekvens, toppnivå, toppoppholdstid, nedfartshastighet, nedre nivå. Se vedlagt diagram. Wow, det er mye for en LED. Nå må du multiplisere det ganger antallet lysdioder. Det blir for mye - jeg kunne bare holde styr på tre lysdioder med fulle rampeprofiler. Den fjerde (hvit LED på dev -kortet) har bare rampe fra/til -funksjonalitet. Det er et kompromiss. Ta en titt på det vedlagte bildet av en rampeprofil. PWM -signalet genereres fra en tidtaker som kjører på 64uS per kryss. Åtte biters timeren ruller over hver 16,38 ms. Dette betyr at PWM -signalet kjører på 61.04Hz. Dette er ikke bra for videotaping! Så jeg brukte et programvaretrick og hoppet et par ekstra tellinger inn i timeren for å strekke det ut til 60Hz. Dette får videoopptak til å se mye bedre ut. Ved hver overføring av PWM-timeren (16,67 mS) oppdaterer jeg rampeprofilen (e). Derfor er hver rampe/oppholdsflått 1/60 sekund, eller 60Hz. Det lengste profilsegmentet (med en telling på 255) vil vare 4,25 sekunder, og det korteste (med en telling på 1) varer 17 ms. Dette gir et godt utvalg å jobbe innenfor. Ta en titt på det vedlagte bildet fra logikkanalysatoren. For å virkelig se detaljene i bildet, åpner du bildet i høyoppløsningsmodus. Dette tar et par ekstra klikk på det instruerbare nettstedet. Det er også en tegning av en profil vist nedenfor. Dokumentasjon av kommandoprotokollen er på min todo -liste. Jeg har tenkt å skrive et dokumentdatatype som skal beskrives helt til protokollen. Jeg har startet et datablad for brikken - en foreløpig versjon er på nettstedet mitt nå.

Trinn 5: Potensielle applikasjoner

Christmas Tree Light: Jeg tror sikkert et tre fylt med disse babyene ville være fantastisk. Jeg kan se for meg en fin varm glød av grønne lys med lett snø som faller ned gjennom treet. Kanskje en langsom falming fra grønt til rødt med tilfeldig fallende snø. Chaser -lys som gjør et spiralformet mønster opp og ned i treet ville også være pent. Grovt, jeg kommer til å parkere dette treet ute på gården og gjøre "Jones" naboen gal. Prøv det og slå det! Accent Lighting: Alt som trenger aksentbelysning er et mål for disse lampene. Min svoger vil sette dem i bunnen av fisketanken. En venn ønsker å fremheve sin hot rod -motor - å trampe på gasspedalen vil øke et rødt lysglimt. Jeg vurderte også å bygge en av disse med lampene mine: https://www.instructables.com/id/LED_Paper_Craft_Lamps/ Ville være et flott Cub Scouts -prosjekt. Folding LED -streng: En rekke LED -lamper kan brettes til former. Sju lamper kan brettes til et syv segment LED -mønster. En stor skjerm kan lages - ville være en flott nedtelling for nye år! Eller kanskje en skjerm for å vise aksjemarkedet - røde sifre på dårlige dager og grønne på gode. Kanskje en stor skjerm som viser utetemperatur. 3D -rutenett Ved å henge og ordne en rekke lysdioder, kan du enkelt lage et 3D -rutenett med lysdioder. Det er noen kule 3D LED -array -eksempler på YouTube. Imidlertid ser de eksisterende eksemplene jeg har sett små og smertefulle ut. Kanskje et stort 3D-rutenett ute i gården også i julen. WinAmp Plug-In: Alle som har vært i laboratoriet mitt og har sett lysene, spør om de danser til musikk. Jeg gravde litt, det ser ut til å være ganske enkelt å legge til en plug-in til WinAmp. Plug-in vil sende meldinger til en vedlagt streng med lamper slik at lysene blir synkronisert med musikken som WinAmp spilte. Å synkronisere litt julemusikk til juletreet mitt ville bare vært fantastisk. Innebygd baby-orangutang B-328 robotkontroller med H-bro: Den lille kontrolleren fra Pololu ville være perfekt. Se: https://www.pololu.com/catalog/product/1220 Dette kortet har allerede en H-Bridge klar til bruk. Lampemønstre kan programmeres inn i mikroen slik at PC -en kan slås av. 802.15.4: Ved å legge til 802.15.4 kan lampene bli trådløse. For juletre lys spredt rundt i huset, ville dette være flott. Eller det ville være mulig å legge lamper til hvert vindu i et stort bygningskompleks. Cool. Rotating 'Lighthouse Beacon: Sønnen min hadde et skoleprosjekt for å bygge et fyrtårn. Tanken var å bygge et osteaktig batteridrevet lys med en bindersbryter slik at fyret faktisk ville lyse. Ingen av mine sønner vil gå på skolen med det når han kan få et roterende fyrtårn! Ta en titt på vedlagte bilder og video.

Trinn 6: Oppsummering

Det overrasker meg virkelig at hver lampe har 2 MIPS hestekrefter i en SOIC-8 for 80 cent. Etter hvert som en rekke lamper blir utvidet ved å legge til flere lamper, øker også mengden MIPS på strengen. Med andre ord er dette en skalerbar design. En streng på 16 lamper nynner sammen med 32 MIPS prosessorkraft. Bare fantastisk. Det er fortsatt mye arbeid som må gjøres. Utviklingsstyret må oppdateres. Det er et par layoutfeil som må korrigeres. Kommunikasjonsfeilutgangskablene ser ikke ut til å fungere med transistorutgangen. Ikke sikker på hvorfor - jeg har ikke brukt noe tid på å sortere dette ennå. Den mottakende kommunikasjonskoden trenger også litt mer arbeid. Ved å se på lysdiodene kan jeg se at det er kommefeil så ofte. Det ser ut til at det i gjennomsnitt er en tilfeldig feil per 1000 meldinger. Jeg må finne en SMD -produsent som vil være villig til å lage lampebrett til meg. Kanskje Spark Fun ville være interessert? Jeg har en kompis i Hong Kong som kan finne meg en produsent. Styremøtet må være automatisert. Det er bare ikke mulig å bygge disse brettene for hånd som jeg gjorde. Et PC -grensesnittkort må utvikles. Dette burde være veldig enkelt - det er bare å ta deg tid til å få det gjort. Kostnad er konge - en minimert lampekostnad (80 cent for mikro + tre lysdioder på 10 cent hver + brett / motstander / 20 cent diode bridge) totalt $ 1,50 dollar. Legg til montering, ledninger og fortjeneste, og vi snakker $ 2,00 til $ 2,50 per lampe. Vil nørder betale 40 dollar for en streng med 16 RGB -lamper på en streng? Med noen positive tilbakemeldinger vil jeg fortsette å gjøre denne ideen til et produkt. Jeg kunne se for meg å selge chips, lampeutviklingstavler og komplette lysstrenger. Gitt meg noen tilbakemeldinger og gi meg beskjed om hva du synes. For mer informasjon og fortsatte utviklingsnyheter besøk mitt nettsted på https://www.powerhouse-electronics.comTakk, Jim Kemp