Design af en multi -node LED PWM -lampe: 6 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:31

Denne instruktive vil vise, hvordan jeg designede en LED PWM Lamp controller. Flere lamper kan sættes sammen for at skabe store lysstrenge. At skabe nogle blinkende LED -lys til jul har altid været på min ønskeliste. Sidste juletid begyndte jeg virkelig at tænke på at bygge noget. Min første tanke var, at hver LED -lampe simpelthen kunne tilsluttes et par ledninger. Strømmen til LED -lamperne kunne være et vekselstrømssignal, der ville feje fra en lav frekvens til en høj frekvens. Et båndpasfilter indbygget i hver lampe ville tænde LED'en, når frekvensen matchede båndpasfilterets centerfrekvens. Hvis båndpasfiltrene blev indstillet korrekt, kunne der foretages en LED-jagtsekvens. Virkelig, ved at hoppe til forskellige frekvenser i stedet for at feje, kunne enhver af lysdioderne tændes. Ved hjælp af en H -Bridge driverchip bør det ikke være for hårdt at køre den ønskede frekvens ned ad ledningerne. Tja, jeg stinker bare af analogt design - jeg er mere en slags software som en fyr. Efter et par bænketest opgav jeg hurtigt at bruge analog. Hvad jeg virkelig ville var en LED -lampe, der kunne styres fuldstændigt for at vise enhver farve, jeg ønskede. Åh, og det burde være i stand til at bruge PWM (pulsbreddemodulation), så LED'erne kan rampes til eller fra i virkelig fede mønstre. der faldt ud af mit ønske om juletræslys. Se hurtigt på videoen herunder for hurtigt at se, hvad Kemper LED PWM Lamp Controller kan vise. Bemærk, det er svært at få en god video af lysdioder i aktion, der bruger PWM til intensitetskontrol. Det er det samme problem, når du forsøger at video en computerskærm. LED'ernes 60Hz kommer ind i en beatfrekvenskamp med videokameraets 30Hz. Selvom der er tidspunkter, hvor videoen af lysdioderne er lidt "glitchy", er det derfor ikke rigtig tilfældet. Lysdioderne ser ikke ud til at have nogen fejl, når de ses af det menneskelige øje. Se softwaretrinet nedenfor for mere diskussion om videotapning af lysdioder.

Trin 1: Designmål

Efter at have brugt juleferien til at tænke på dette projekt, kom jeg med en ønskeliste. Her er nogle af de funktioner (sorteret i rækkefølge), jeg ønskede med min LED -controller: 1) Hver LED -lampe skal være så billig som muligt. En snor på 100 lamper vil koste en masse, hvis hver lampe koster meget. Omkostninger er derfor en vigtig faktor. 2) Hver lampe har en lille mikro ombord, som driver LED'erne. Den lille mikro vil generere PWM -signaler, så LED'erne kan dæmpes eller falme. Lysdioder kan se hårde ud, når de bare tændes og slukkes. Ved hjælp af PWM-signaler kan lysdioderne falmes op og ned uden de hårde kanter normale til lysdioder. 3) For at holde ledningerne enkle, accepterer hver lampe kommandoer ved hjælp af et to-leder interface. Strøm og kommunikation vil dele de samme to ledninger. Kommandoerne til lamperne fortæller den indbyggede mikro, hvilken af lysdioderne der skal køre med PWM.4) Skal se cool ud! Jeg gætter på, at dette virkelig skulle omnummereres, så det er nummer et. Her er nogle af de mindre designmål (ingen bestemt rækkefølge): 1) For udvikling skal det være let at omskifte / omprogrammere in-circuit.2) En pc skal kunne generere kommandoer til lamperne. Dette gør udviklingen af mønstre meget lettere end at bruge en anden integreret mikro.3) Hver lampe skal have en unik adresse. Hver LED inden for en lampe skal også være unikt adresserbar.4) Kommandoprotokollen skal understøtte MANGE lamper på en ledningsstreng. Det nuværende design understøtter 128 lamper på en snor. Med 4 lysdioder pr. Lampe, der svarer til 512 lysdioder på en streng af to ledninger! Bemærk også, at hver af disse 512 lysdioder har fuld PWM, der kører den. 5) Protokollen skal have en kommando, der siger, "Start fading LED'en fra dette niveau til det niveau". Når fading starter, kan andre lysdioder også opsættes og indstilles til at falme på den samme lampe. Med andre ord, opsæt en LED i et falmende mønster, og glem det derefter ved at LED'en vil udføre kommandoen. Dette indebærer multitasking -software på micro! 6) Der bør være globale kommandoer, der påvirker alle lamper på én gang. Derfor kan alle LED'er kommanderes ved hjælp af kun en kommando. Her er nogle virkelig mindre designmål (igen, ingen bestemt rækkefølge): 1) Har brug for en måde at få en lampe -rapport tilbage, når der opstår en kommodefejl. Dette ville gøre det muligt for kommandoen at blive gentaget. 2) Kommandoprotokollen har brug for en måde at have et smart globalt matchmønster på. Dette ville gøre det muligt at vælge hvert x antal lamper med en kommando. Dette ville gøre det lettere at lave jagtmønstre med et stort antal lamper. Som et eksempel ville dette gøre det muligt at sende en kommando til hver tredje lampe på en lampestreng. Derefter kunne den næste kommando sendes til den næste gruppe på tre. 3) Et logisk system med auto comm polarity detect ville også være godt. Derefter bliver polariteten af de to fremføringsledninger til LED -lamperne uden betydning. Se hardwareafsnittet for mere om denne funktion.

Trin 2: Prototyping:

Det er nu begyndelsen af januar, og jeg tager afsted. Jeg fandt 10F206 på Digikey, og den er virkelig billig! Så jeg snurrer et prototavle for at holde en 10F206 mikro fra Microchip. Jeg har designet et hurtigt bord, fordi 10F2xx ikke er tilgængelig i en DIP -pakke. Bundlinjen, jeg ønskede ikke at bøvle med den lille chip. (Jeg var så sikker tilbage i januar) Jeg gik også afsted og købte en ny CSS C -kompilator målrettet mod 10F2xx -mikroerne. Chipsfamilien 10F2xx er virkelig billig! Med store forhåbninger dykkede jeg ind og begyndte at skrive masser af kode. 10F206 har hele 24 bytes RAM - chippen har også 512 bytes flash og en otte -bit timer. Mens ressourcerne er sparsomme, er prisen god til 41 cent i store mængder. Herregud, en million instruktioner pr. Sekund (1 MIPS) for 41 øre! Jeg elsker bare Moores lov. Evan til engangspriser, 10F206 fra Digikey er angivet til 66 cent. Jeg brugte en masse tid på at arbejde med 10F206. Mens jeg arbejdede med 10F206 opdagede jeg, at multitasking er absolut påkrævet. PWM -udgangssignalerne SKAL holdes opdaterede, selvom de modtager nye kommunikationsmeddelelser. Enhver afbrydelse i opdateringen af PWM -signalerne ses som fejl på lysdioderne. Det menneskelige øje er virkelig godt til at se fejl. Der er et par grundlæggende problemer med 10F206 -chippen. I hvert fald grundlæggende problemer for min ansøgning. Det første problem er, at der ikke er nogen afbrydelser! Fangst af ny kommunikation ved hjælp af en polling loop giver tid til fejl. Et andet problem er, at der kun er en timer. Jeg kunne bare ikke finde en måde at modtage kommandoer, mens jeg vedligeholdt PWM -output. Lysdioderne ville fejl hver gang en ny kommando blev modtaget. At dele timeren mellem at modtage kommandoer og køre PWM -output var også et stort problem. Jeg kunne ikke nulstille timeren, mens jeg modtog et nyt tegn, fordi timeren også blev brugt til at styre PWM -signalerne. Mens jeg arbejdede med 10F206, så jeg en artikel i Circuit Cellar om Freescales nye lille MC9RS08KA1 mikro. Jeg elsker Freescale -chips - jeg er en stor fan af deres BDM -fejlfinding. Jeg brugte Star12 chips meget tidligere (jeg skrev al softwaren til GM Cadillac & Lacern ultralydssystemet på et Star12 - min ultralydssoftware er i produktion nu på disse to biler). Så jeg håbede virkelig, at deres nye små chips ville være gode. Prisen er også rigtig, Digikey har disse chips opført til 38 cent i stor mængde. Fri skala var god og sendte mig nogle gratis prøver. Freescale 9RS08 -chippen virkede imidlertid virkelig fjollet - jeg kunne ikke gøre meget fremskridt med den. Chippen lider også med mangel på afbrydelser og kun én timer. Nåh, jeg fandt i hvert fald det ud uden at spilde penge på at snurre endnu et proto -bræt. Se billederne herunder. Nu ved jeg - for min ansøgning skal jeg have afbrydelser og mere end én timer. Tilbage til Microchip fandt jeg 12F609 -chippen. Det har afbrydelser og to timere. Det har også 1K flash og 64 bytes RAM. Ulempen er prisen; Digikey lister disse chips til 76 cent i stor mængde. Nå, det vil Moores lov snart tage sig af. På plussiden kan 12F609 også bestilles i DIP -pakker. På minussiden var jeg nødt til at købe den næste level up compiler - det brændte lidt min @#$%^&.Det er nu april, og jeg har lært meget om, hvad der ikke virker. Jeg har spundet et bræt og spildt penge på en kompilator, som jeg ikke har brug for. Alligevel er testning hidtil opmuntrende. Med den nye compiler og 12F209 -chips i DIP -pakker gik benchmark -test hurtigt. Testen bekræftede, at jeg havde den rigtige chip. Tid til at snurre endnu et proto board! På dette tidspunkt er jeg bestemt.

Trin 3: 12F609 Development Board

OK, frisk bænketest, jeg er klar til at prøve et andet bordspin. I dette borddesign ville jeg virkelig prøve tanken om at sende strøm og kommunikation over de samme to ledninger. Hvis kommunikationsfejl blev ignoreret, ville der kun være to ledninger påkrævet. Det er bare helt vildt sejt! Selvom det er fedt at sende kommunikation over strømkablerne, er det ikke påkrævet. Alle lamper kan tilsluttes sammen på en enkelt ledning, hvis det ønskes. Dette ville betyde, at hver lampe ville kræve tre ledninger med en fjerde valgfri feedback -statusledning. Se diagrammet nedenfor. Strøm og kommunikation kan kombineres ved hjælp af en simpel H-bro. H-broen kan køre store strømme uden problemer. Mange lysdioder med høj strøm kan kun sættes sammen på to ledninger. Polariteten af jævnstrømmen til lamperne kan meget hurtigt skiftes med H-broen. Så hver lampe bruger en fuldbølge -bro til at rette op på skiftende DC tilbage til normal jævnstrøm. En af mikrostifterne tilsluttes den rå indgående switchende jævnstrøm, så kommunikationssignalet kan detekteres. En strømbegrænsende modstand beskytter den digitale indgang på mikroen. Inde i mikroindgangsstiften fastspændes den rå switchende DC -spænding ved hjælp af mikroens interne lejerdioder - switch -DC'en spændes (nul til Vcc volt) af disse dioder. Hele bølgebroen, der retter op på den indgående effekt, genererer to diodefald. De to diodefald fra broen overvindes simpelthen ved at justere H-Bridge forsyningsspændingen. En seks-volt H-Bridge spænding giver en dejlig fem-volt forsyning ved mikro. Individuelle begrænsningsmodstande bruges derefter til at trimme strømmen gennem hver LED. Dette power / comm -skema ser ud til at fungere meget godt. Jeg ville også prøve at tilføje transistorudgange mellem mikro og lysdioder. Under bænktest, hvis 12F609 skubbes til hårdt (for meget strøm i dens outputsti), vil det flimre alle output. Den maksimale strøm for hele chippen ifølge databladet, som 12F609 kan understøtte, er i alt 90mA. Nå, det vil ikke fungere! Jeg kan bare have brug for meget mere aktuel end det. Tilføjelse af transistorer giver mig en kapacitet på 100mA pr. LED. Diodebroen er vurderet til 400mA, så 100mA pr. LED -kapacitet passer bare. Der er en ulempe; transistorerne koster 10 øre hver. I hvert fald har de transistorer, jeg valgte, indbygget modstande - Digikey -varenummeret er MMUN2211LT1OSCT -ND. Med transistorerne på plads er der IKKE flimring af lysdioderne. For produktionslamper tror jeg, at transistorer ikke vil være nødvendige, hvis der bruges "normale" 20mA LED'er. Udviklingskortet designet i dette trin er kun til test og udvikling. Tavlen kunne være meget mindre, hvis der blev brugt mindre modstande. Eliminering af transistorer ville også spare en masse bestyrelsesplads. In-circuit programmeringsporten kan også fjernes til produktionsbrætter. Hovedpunktet i udviklingsbestyrelsen er bare at bevise power/comm -ordningen. Efter at have modtaget tavlerne opdagede jeg faktisk, at der er et problem med tavlens layout. Broen med fuld bølge har en fjollet pinout. Jeg var nødt til at klippe to spor og tilføje to jumperwires til bunden af hvert bord. Derudover er sporene til lysdioderne og stikket bare for tynde. Nåvel, lev og lær. Vil ikke være første gang jeg goofed et nyt board layout. Jeg havde otte boards lavet ved hjælp af BatchPCB. De har de bedste priser, men de er såååååååååå sjove. Det tog uger at få brædderne tilbage. Alligevel, hvis din prisfølsomme, er BatchPCB den eneste vej at gå. Jeg vil dog skifte tilbage til AP -kredsløb - de er superhurtige. Jeg ville bare ønske, at de havde en billigere måde at sende brædderne ud af Canada. AP Circuits betaler mig 25 dollars i forsendelse for hver ordre. Det gør ondt, hvis jeg kun køber brædder til en værdi af 75 dollar. Det tog mig to dage at lodde de otte små brædder op. Det tog endnu en dag at finde ud af, at pull-up modstand R6 (se skematisk) rodede med mig. Jeg formoder, at modstanden R6 bare ikke er nødvendig. Jeg var bekymret efter at have læst databladet, og det indikerede, at der ikke er nogen interne mikro pull-ups på denne input pin. I mit design drives stiften alligevel aktivt hele tiden, så der er ikke rigtig brug for en pull-up. For at sende kommandoer til tavlen brugte jeg simple 9600-baud-meddelelser fra et Python-program. Den rå RS232, der kommer ud af pc'en, konverteres til TTL ved hjælp af en MAX232 -chip. RS232 TTL-signalet går til H-Bridge-kontrolindgangen. RS232 TTL går også gennem en inverter gate i en 74HC04 chip. Den omvendte RS232 går derefter til den anden H-Bridge-kontrolindgang. Så uden RS232-trafik udsender H-Bridge 6 volt. For hver bit på RS232 vender H -broen polariteten til -6 volt, så længe RS232 -bit holder. Se blokdiagrambillederne herunder. Python -programmet er også vedhæftet. Til lysdioderne købte jeg en flok fra https://besthongkong.com. De havde lyse 120 graders lysdioder i rød/grøn/blå/hvid. Husk, de lysdioder, jeg brugte, er kun til test. Jeg købte en 100 af hver farve. Her er tallene for de lysdioder, jeg brugte: Blå: 350mcd / 18 cents / 3.32V @ 20mA Green: 1500mcd / 22 cents / 3.06V @ 20mA Hvid: 1500mcd / 25 cents / 3.55V @ 20mARed: 350mcd / 17 cents / 2.00V @ 20mA Ved at bruge disse fire lysdioder til at udfylde lampen, kan de koste lige så meget som mikro på 82 cent! Av.

Trin 4: Software

Softwaren får virkelig dette projekt til at krydse af! Kildekoden i 12F609 er virkelig kompliceret. Jeg bruger den sidste hukommelsesplacering! Alle 64 bytes er blevet forbrugt af min kode. Jeg har hele 32 bytes flash tilbage som reserve. Så jeg bruger 100% af RAM og 97% af flash. Det er dog forbløffende, hvor meget funktionalitet du får for al den kompleksitet. Kommunikation til hver lampe arkiveres ved at sende otte-byte datapakker. Hver datapakke slutter med en checksum - så virkelig er der syv bytes med data plus en sidste checksum. Ved 9600 baud tager en datapakke lidt over 8 millisekunder at ankomme. Tricket er at multitaske, mens pakken med bytes ankommer. Hvis nogen af lysdioderne er aktive med et PWM -signal, skal PWM -output holdes opdateret, selvom der modtages nye pakkebytes. Det er tricket. Det tog mig uger og uger at ordne dette. Jeg brugte en enorm mængde tid på at arbejde med min Logiport LSA på at prøve at følge hver bit. Dette er noget af den mest komplicerede kode, jeg nogensinde har skrevet. Det er fordi mikron bare er så begrænset. På mikroer, der er mere kraftfulde, er det let at skrive løs/let kode og få den hurtige mikro til at rive igennem den uden at klage. Med 12F609 koster enhver løs kode dig masser. Al mikrokildekoden er skrevet i C bortset fra afbrydelsesrutinen. Hvorfor have så store datapakker, kan du spørge. Fordi vi vil have LED'erne til at stige op og ned af sig selv. Når en rampeprofil er indlæst, kan LED'en slukke og begynde at rampe, selvom den modtager nye kommandoer til en anden LED. Hver lampe skal modtage og afkode al datapakketrafik, selvom pakken ikke er beregnet til det. En LED -profil består af et startniveau, startopholdstid, rampehastighed, topniveau, topopholdstid, rampe nedhastighed, bundniveau. Se vedhæftet diagram. Wow, det er meget for en LED. Nu skal du gange det antal LED'er. Det bliver for meget - jeg kunne kun holde styr på tre lysdioder med fulde rampeprofiler. Den fjerde (hvid LED på dev -kortet) har kun rampe fra/til kapacitet. Det er et kompromis. Tag et kig på det vedhæftede billede af en rampeprofil. PWM -signalet genereres fra en timer, der kører med 64uS pr. Kryds. Den otte bit timer ruller over hver 16,38 ms. Det betyder, at PWM -signalet kører ved 61.04Hz. Dette er ikke godt til videoaflytning! Så jeg brugte et softwaretrick og sprang et par ekstra tællinger ind i timeren for at strække det til 60Hz. Dette får videoaflytning til at se meget meget bedre ud. Ved hver roll-over af PWM-timeren (16,67 mS) opdaterer jeg rampeprofilen (e). Derfor er hvert rampe/ophold -kryds 1/60 sekund eller 60Hz. Det længste profilsegment (ved hjælp af en tælling på 255) vil vare 4,25 sekunder, og det korteste (ved hjælp af en tælling på 1) varer 17 ms. Dette giver en god rækkevidde at arbejde inden for. Tag et kig på det vedhæftede billede fra logikanalysatoren. For virkelig at se detaljerne på billedet, skal du åbne billedet i tilstanden med høj opløsning. Dette kræver et par ekstra klik på det instruerbare websted. Der er også en tegning af en profil vist nedenfor. Dokumentation af kommandoprotokollen er på min todo -liste. Jeg planlægger at skrive et datablad af dokument, der skal beskrives fuldstændigt til protokollen. Jeg har startet et datablad for chippen - en foreløbig version er på mit websted nu.

Trin 5: Potentielle applikationer

Juletræslys: Jeg tror bestemt, at et træ fyldt med disse babyer ville være fantastisk. Jeg kan forestille mig et dejligt varmt skær af grønne lys med let sne, der falder ned gennem træet. Måske en langsom fade fra grøn til rød med tilfældig faldende sne. Chaser -lys, der laver et spiralformet mønster op og ned af træet, ville også være pænt. Groft, jeg kommer til at parkere dette træ ude i gården og gøre "Jones" ved siden af vanvittig. Prøv det og slå det! Accentbelysning: Alt, hvad der har brug for accentbelysning, er et mål for disse lamper. Min svoger vil lægge dem i bunden af sin akvarium. En ven vil fremhæve sin hot rod -motor - tramping på gaspedalen ville øge et rødt lysglimt. Jeg overvejede også at bygge en af disse med mine lamper: https://www.instructables.com/id/LED_Paper_Craft_Lamps/ Ville være et godt Cub Scouts -projekt. Folding LED -streng: En række LED -lamper kunne foldes i former. Syv lamper kunne foldes til et syv segment LED -mønster. Der kunne laves et kæmpe display - ville være en fantastisk nedtællingsvisning til nye år! Eller måske et display for at vise aktiemarkedet - røde cifre på dårlige dage og grønne på gode. Måske et stort display, der viser udetemperatur. 3D -gitter Ved at hænge og arrangere en række lysdioder, kunne der let oprettes et 3D -gitter med LED'er. Der er nogle fede 3D LED array -eksempler på YouTube. Imidlertid ser de eksisterende eksempler, jeg har set, små og smertefulde ud til ledningen. Måske også et stort 3D-gitter ude i gården i løbet af julen. WinAmp Plug-In: Alle der har været i mit laboratorium og har set lyset, spørger om de danser til musik. Jeg har gravet lidt, det ser ud til at være ret let at tilføje et plug-in til WinAmp. Plug-in'et ville sende meddelelser til en vedhæftet streng af lamper, så lysene ville blive synkroniseret med den musik, WinAmp spillede. Synkronisere noget julemusik til mit juletræ ville bare være fantastisk. Embedded Baby Orangutan B-328 Robot Controller med H-Bridge: Den lille controller fra Pololu ville være perfekt. Se: https://www.pololu.com/catalog/product/1220 Dette bord har allerede en H-Bridge klar til brug. Lampemønstre kan programmeres i mikro, så pc'en kan slukkes. 802.15.4: Ved at tilføje 802.15.4 kan lamperne blive trådløse. For juletræslys spredt rundt i huset, ville dette være fantastisk. Eller det ville være muligt at tilføje lamper til hvert vindue i et stort bygningskompleks. Cool. Rotating 'Lighthouse Beacon: Min søn havde et skoleprojekt til at bygge et fyrtårn. Ideen var at bygge et osteagtigt batteridrevet lys med en papirclipsafbryder, så fyret faktisk ville lyse. Ingen af mine sønner vil gå i skole med det, når han kan få et fuldstændigt roterende fyrtårn! Se de vedhæftede billeder og video.

Trin 6: Resumé

Det undrer mig virkelig, at hver lampe har 2 MIPS hestekræfter i en SOIC-8 til 80 cent. Når en række lamper forlænges ved at tilføje flere lamper, stiger mængden af MIPS på strengen også. Med andre ord er dette et skalerbart design. En streng på 16 lamper nynner sammen med 32 MIPS processorkraft. Bare fantastisk. Der er stadig meget arbejde, der skal udføres. Udviklingsbestyrelsen skal opdateres. Der er et par layoutbugs, der skal rettes. Comm error output ledningerne ser ikke ud til at fungere med transistorudgangen. Ved ikke endnu hvorfor - jeg har ikke brugt nogen tid på at sortere dette endnu. Den modtagende kommunikationskode har også brug for lidt mere arbejde. Ved at se lysdioderne kan jeg se, at der er comm -fejl så ofte. Det ser ud til, at der i gennemsnit er en tilfældig fejl pr. 1000 beskeder. Jeg skal finde en SMD -fremstilling, der ville være villig til at lave lampetavler til mig. Måske ville Spark Fun være interesseret? Jeg har en kammerat i Hong Kong, der måske kan finde mig en fremstilling. Bestyrelsesmontering skal være automatiseret. Det er bare ikke muligt at bygge disse brædder i hånden, som jeg gjorde. Der skal udvikles et pc -interfacekort. Dette burde være virkelig let - det er bare et spørgsmål om at tage sig tid til at få det gjort. Omkostninger er konge - en minimeret lampeomkostning (80 cent for mikro + tre lysdioder på 10 cent hver + bræt / modstande / 20 cent diodebro) i alt måske $ 1,50 bukke. Tilføj samling, ledninger og profit, og vi taler $ 2,00 til $ 2,50 pr. Lampe. Vil nørder betale 40 dollars for en streng på 16 RGB -lamper på en snor? Nederste linje, jeg håber, at der er interesse fra DIY -mængden. Med nogle positive tilbagemeldinger vil jeg fortsætte med at gøre denne idé til et produkt. Jeg kunne forestille mig at sælge chips, lampe dev boards og komplette lysstrenge. Gav mig lidt feedback og lad mig vide, hvad du synes. For mere information og fortsatte udviklingsnyheder besøg mit websted på https://www.powerhouse-electronics.com Tak, Jim Kemp