Часы на 100-мм индикаторах



жүктеу 103.83 Kb.
Дата02.09.2018
өлшемі103.83 Kb.

Часы на 100-мм индикаторах

С. Безруков (г. Супериор, США), В. Аристов (Северодвинск, Россия)



Предлагаемые часы построены на светодиодных индикаторах с высотой цифр 101.6 мм и имеют автоматическую регулировку яркости. Обсуждаются проблемы управления такими индикаторами и предлагаются их схемотехнические и программные решения.

Часы являются одним из немногих инструментов, которыми практически каждый человек пользуется по несколько раз в сутки. Наряду с индивидуальными часами, большие часы, несомненно, удобны в повседневной практике и установлены на многих уличных перекрестках, в учреждениях, или имеются в домашнем пользовании. Однако, зачастую аналоговые домашние часы плохо или совсем не видны в сумерках, а показания стандартных светящихся цифровых часов сложно прочитать с большого расстояния. Этот проект начался после успешного конструирования цифровых часов с высотой цифр 55 мм, которые были хорошо видны из дома и позволяли контролировать время при работе на садовом участке, когда наручные часы носить не всегда удобно. Целью настоящего проекта былo создать часы, которые были бы хорошо видны с еще большего расстояния на участке с другой стороны дома. Это, однако, потребовало существенной переработки прежнего проекта.

При чтении показаний больших индикаторов актуальным становится регулировка их яркости в зависимости от освещенности. Далеко не всегда уместно освещать часами окружающее пространство в темное время суток. Помимо этого, настроенные по яркости на дневной свет индикаторы неприятно режут глаза в темноте. Большинство моделей промышленных часов обеспечивают в лучшем случае лишь ступенчатую регулировку яркости с помощью кнопок.

Большие светодиодные индикаторы выпускаются многими производителями и, в общем, стоят недешево. Мы использовали одни из самых недорогих индикаторов высотой 4 дюйма (101.6мм), выпускаемых китайской фирмой Ningbo Flying Electronics Co., Ltd. Они почти в 4 раза дешевле, например, аналогичных по размеру индикаторов фирмы Kingbright. Однако, бесплатных пирожных не бывает, и платой за низкую стоимость является меньшая яркость этих индикаторов при том же токе через сегмент. Для достижения равномерной подсветки сегментов в больших индикаторах используется по несколько светодиодов на сегмент. С ростом числа светодиодов увеличивается суммарное прямое напряжение на них, что приводит к напряжению питания индикаторов большему, чем могут выдержать большинство цифровых микросхем. В наших индикаторах в каждом из сегментов a-f установлено по 4 пары соединенных параллельно светодиодов, а сами пары соединены последовательно. В результате суммарное прямое падение напряжения на светодиодах сегмента получается около 8.5 В.

Из-за больших габаритных размеров сегментов, через них приходится пропускать довольно большой ток для достижения желаемой яркости. Это особенно ощутимо при динамической индикации, т.к. яркость светодиодов пропорциональна лишь логарифму тока через них. Эксперименты с нашими индикаторами показали, что они, скорее всего, предназначены для статической индикации с постоянным током через сегмент порядка 45 мА. В таком включении 4 индикатора будут в сумме потреблять около 1.5 А (при индикации восьмерок и точек во всех разрядах), что совсем не мало. Динамическая индикация с мультиплексированием 1:4 оказалась неприемлемой в плане яркости даже при токе через каждый сегмент 100 мА. В даташите не указано могут ли эти индикаторы работать при таком импульсном токе со скважностью 1:4. Поэтому был выбран компромисс управления индикаторами в динамическом режиме с мультиплексированием 1:2 и менее опасным максимальным импульсным током через каждый сегмент около 75 мА. Иными словами, сначала включаются 2 индикатора часов, а после их выключения 2 индикатора минут. Таким образом, скважность управляющих импульсов каждой цифры не превосходит 50% и при уменьшении скважности соответственно уменьшается яркость индикаторов.

Отметим, что, при включении одной цифры токопотребление от источника питания при полной яркости возрастет скачком от нескольких миллиампер до 8×75 = 600 мА. Не одна из известных нам микросхем драйверов светодиодов не может обеспечить такой ток при скважности 50%. Более того, если одновременно включатся (или выключаются) 2 цифры, токопотребление от источника питания скачком меняется на 1.2 А. Известно, что для предотвращения мерцания цифр, их переключение должно производиться с частотой не менее 60 Гц. Такие периодические скачки тока являются серьезным испытанием для блока питания и приводят к повышенным пульсациям напряжения на его выходе и генерированию помех в широком диапазоне частот. Наименьшие пульсации обеспечивают линейные стабилизаторы. Однако, линейный стабилизатор на 1 А должен обладать солидным теплоотводом, что увеличивает габариты устройства и уменьшает его КПД. Поэтому мы использовали импульсный стабилизатор, замечательно работающий без всяких теплоотводов. Для уменьшения скачков потребляемого тока разработана специальная схема управления индикаторами так, что даже при мультиплексировании 1:2 в любой момент включается (или выключается) только одна цифра. Точнее, время разбивается на четверки периодически повторяющихся интервалов. Первая цифра подсвечивается в интервалах 1 и 2, вторая в интервалах 2 и 3, третья – в 3 и 4, четвертая – в 4 и 1, и далее по циклу. В результате в каждый момент времени горит не более 2 цифр (при скважности 0 – 50%), и изменения потребляемого тока не превосходят ±0.6 А. Таким образом существенно снижаются пульсации и помехи на выходе блока питания.

Для реализации этой идеи был выбран 8-битный микроконтроллер фирмы Atmel, позволяющий наиболее просто организовать 4 согласованных канала широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Каждый канал ШИМ управляет яркостью одной из 4 цифр. В микроконтроллере имеются 2 таймера, каждый формирующий по 2 канала ШИМ. Принцип формирования 4-канальной согласованной ШИМ показан на рисунках.

Наклонные линии на верхних диаграммах представляют значения счетчиков таймеров. Горизонтальные штрих-пунктирные линии соответствуют порогам срабатывания цифровых компараторов-формирователей ШИМ, устанавливаемым в регистрах OCRxA и OCRxB таймеров. Если эти пороги установить симметрично относительно среднего значения счетчика таймера (см. левый рисунок), то скважность импульсов ШИМ в обоих каналах таймера (а, значит и яркость соответствующих цифр) получится одинаковой. Для исключения временного пересечения импульсов ШИМ значение нижнего порога не должно превосходить 127, а значение верхнего порога быть не менее 128 (и не более 255). Таким образом получается ШИМ с 7-битным разрешением.

Для формирования остальных двух каналов ШИМ использован 16-битный таймер 1, работающий в 8-битном режиме. Это достигается путем установки верхнего порога счетчика таймера равным 255 в регистре ICR1. Временное согласование обоих таймеров достигнуто путем записи констант 0 и 128 в счетчики таймеров 0 и 1, соответственно, до запуска таймеров . Так как оба таймера работают от одного генератора, работа их после запуска получается синхронной. Иными словами, таймер 1 формирует сигналы ШИМ (вторая и четвертая сверху диаграммы на правом рисунке), сдвинутые по фазе на 90° по отношению к ШИМ таймера 0 (первая и третья осциллограммы). При скважности импульсов ШИМ не превосходящей 50% , в каждый момент времени получается включенными не более двух цифр индикатора. Кроме того гарантируется, что в любой момент времени включается (и выключается) не более одной цифры, чем и реализуется ограничение пульсаций и помех от источника питания, как отмечено выше. Кроме того, для формирования всех сигналов ШИМ (при постоянной скважности) не задействуется процессор микроконтроллера.

Сегменты выбранного нами индикатора имеют общие катоды и для коммутации их анодов используются сборки состоящие из двух P-канальных МОП-транзисторов VT1 – VT8 (см. Рис 1) с весьма малым сопротивлением открытого канала (порядка 0.1 ом). Такое решение исключает какой-либо заметный прогрев их корпусов по сравнению с драйверами типа UDN2981. Последние имеют падение напряжения на составном биполярном выходном транзисторе около 1.5 В в режиме насыщения, что при токе 75 мА на сегмент и скважности 50% приводит к рассеиваемой мощности 0.075×1.5×8/2 = 0.45 Вт на корпус, т.е. его сильному разогреву. Для индикации десятичной точки задействован стабилитрон VD1, поскольку для точки используется всего 2 светодиода в индикаторах и падение напряжения на них на превышает 4 В. Затворы VT1 – VT8 управляются от регистра сдвига DD1, загрузка кода в который производится микроконтроллером по последовательному интерфейсу SPI. Для управления каждым индикатором изготовлено 4 блока по схеме на Рис. 1 (эти блоки показаны пунктирными линиями на Рис. 2). Индикация разделительных точек между часами и минутами осуществляется с помощью десятичных точек индикаторов. Для этого индикаторы цифр 1, 3 и 4 установлены точками вверх по сравнению с цифрой 2. Таким образом дисплей можно легко адаптировать для индикации символа градусов в разряде 4 при индикации температуры и режима AM/PM или будильника с помощью точки в разряде 1. Блок для цифры 2 имеет несколько отличную разводку индикатора, все необходиные изменения отражены на прилагаемых эскизах печатных плат.

Обшие катоды индикаторов коммутируются полевыми транзисторами VT1 – VT4 на Рис. 2. Так как истоки этих транзисторов находятся под потенциалом -5.5 В относительно общего провода, управление ими производится микросхемой DD2, содержащей 4 аналоговых ключа. Ключи подключают затворы транзисторов либо к их истокам (для выключения цифры), либо к шине +5 В (для включения). Таким образом обеспечивается полное открытие VT1 – VT4 и минимизация рассеиваемой на них мощности. В результате транзисторы совершенно не нагреваются при коммутации токов порядка 2 А и более. Микросхема питается двухполярным напряжением и обеспечивает необходимый сдвиг уровней входов для коммутации ключей. На вход микросхемы поступают импульсы от формирователей ШИМ микроконтроллера DD1. Можно попробовать исключить DD2 и VT1 – VT4, направив сигналы ШИМ от микроконтроллера на выводы 13 микросхем DD1 (Рис. 1). Высокий уровень на этом выводе переводит выходы микросхем в высокоимпедансное состояние, что приведет к отключению индикаторов. При этом затворы VT1 – VT8 следует подключить к шине +5 В через подтягивающие резисторы порядка 4.7 ком, а общие катоды индикаторов подключить непосредственно к отрицательному полюсу конденсатора C8.

Для измерения уровня освещенности служит фоторезистор R1. Напряжение с общей точки делителя R1-R2 через фильтр нижних частот R3-C1 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера. Из 10-битного кода АЦП используются лишь старшие 7 бит, в соответствии с разрешением ШИМ, которые управляют ее скважностью, т.е. яркостью индикаторов. Для уменьшения помех преобразованию микроконтроллер переводится в спящий режим на время работы АЦП (формирование ШИМ в это время не прерывается). Измерение уровня освещенности производится примерно 1 раз в секунду. Микроконтроллер работает на частоте 500 кГц от внутреннего генератора, частота ШИМ на выходе равна примерно 125 Гц, что полностью исключает мерцание цифр дисплея.

Как видно из схемы, на ней отсутствует привычный для таких устройств кварцевый резонатор. Дело в том, что времязадающий кристалл интегрирован в микросхеме DD3 часов реального времени. Эта микросхема предельно упрощает конструкцию часов и уменьшает число элементов на плате. Она также содержит автоматический переключатель питания с основного источника на резервный (батарея GB1) и блок капельной подзарядки батареи (в данном устройстве не используется). Запись и чтение времени производится микроконтроллером по интерфейсу I2C, для чего служит подтягивающий резистор R4. Шины SDA и SCL интерфейсов SPI и I2C совмещены благодаря входу RCK регистров сдвига DD1 (Рис. 1). Показания дисплея обновляются только после нарастающего фронта напряжения на этом входе. Микросхема DD3 сконфигурирована на генерацию прерывания каждую минуту по обнулении ее счетчика секунд. В результате напряжение на входе 10 микроконтроллера падает до 0, что вызывает аппаратное прерывание его программы. Обработка прерывания сводится к чтению времени из микросхемы DD3 с последуюшим обновлением дисплея. Это также упрощает программу микроконтроллера, основной цикл которой сводится лишь к периодической проверке уровня освещенности, состояния кнопок SB1 и SB2 установки времени, и устранению дребезга их контактов при нажатии и отпускании.

Питание часов производится от стабилизированного импульсного преобразователя DA2, работающего на частоте 1 мГц. Высокая частота выбрана с целью ускорения восстановления напряжения на выходе преобразователя при значительных бросках тока нагрузки в момент коммутации цифр. Преобразователь рассчитан с помощью системы SwitcherPro, доступной с сайта Texas Instruments (www.ti.com). Напряжение на выходе преобразователя составляет около 10.5 В, чем определяется максимальная яркость индикаторов. При необходимости ее можно изменить подбором резистора R6. Конденсатор C8 установлен для дальнейшего уменьшения импульсных помех в цепях питания, возникающих при переключении цифр дисплея. При мало меняющейся нагрузке этот конденсатор не требуется. Важно отметить, что не один из выходов преобразователя не соединен с общим проводом схемы. Напряжение +5 В для питания микросхем DD1 – DD3 получается с помощью микросхемы DA1 линейного стабилизатора напряжения отрицательной полярности. Выход этой микросхемы формирует потенциал общего провода схемы, в результате чего между ним и положительной обкладкой C8 образуется напряжение +5 В. Токопотребление от этого стабилизатора составляет несколько миллиампер. На вход преобразователя можно подавать переменное напряжение 11 – 15 В, от трансформатора вмонтированного в штепсельную вилку, или постоянное в пределах 15 – 22 В. Средний потребляемый схемой ток от выпрямителя в режиме показа времени не превышает 0.8 А.

Конструкция часов показана на фотографиях. В качестве шасси использованы 2 алюминиевых П-образных профиля (верхний и нижний) шириной ¾ дюйма, скрепленных на болтах M2 поперечными алюминиевыми уголками размера ½ × ¾ дюйма. Уголки точно входят в профиль и служат в качестве боковых стенок. В профилях просверлены отверстия под выводы индикаторов, которые припаяны к вспомогательным платам (схема на Рис. 1). Платы укреплены на профилях болтами М2. Нижние выводы индикаторов впаяны в отрезки стандартной перфорированной платы, которые также привинчены к профилям болтами М2. Основная плата со схемой на Рис. 2 установлена на поперечных уголках через стойки высотой 5 мм.

Платы спроектированы с помощью системы Eagle и соответствующие файлы доступны для загрузки с сайта журнала. Платы изготовлены из двусторонне фольгированого материала толщиной 0.8 мм и рассчитаны на установку деталей для поверхностного монтажа. Исключениями являются конденсаторы C8, C14 (диаметр 12 мм на напряжение 25 В) и выпрямительный мост VD2, рассчитанный на 1.5 А. Фольга на обратной стороне плат используется в качестве общего провода. Типоразмер конденсаторов C9, C15 – 1210, C10,C11,C12 – 0402, C4 – 0805. Остальные резисторы и конденсаторы типоразмера 0603. Резисторы R1 – R8 на Рис. 1 входят в состав сборки 767163270G фирмы CTS. Диод VD1 на Рис. 1 в корпусе SOD323. Разъ­ем XS1 для программирования микроконтроллера типа LPPB061NFSC-RC фирмы Sullins с шагом выводов 1.27 мм. Кнопки SB1 и SB2 - модели KSC201GLFS фирмы C&K. CdS фоторезистор R1 (модель PDV-P7002 фирмы Advanced Photonix Inc.) установлен на верхнем профиле. Он имеет сопротивление около 500 ком в темноте и около 100 ом при солнечном свете. При использовании другого типа может потребоваться подбор резистора R2 для обеспечения желаемой глубины регулировки яркости дисплея. Дроссель L1- SRU1038-150Y фирмы Bourns. Он должен быть рассчитан на рабочий ток не менее 2 А и иметь как можно меньшее сопротивление постоянному току.



Программа микроконтроллера написана на языке ассемблера и отлажена в среде AVR Studio 4. В начальной стадии проекта для внутрисхемного программирования микроконтроллера использовался программатор AVRISP mkII фирмы Atmel. Для сопряжения его разъема с разъемом XS1 на плате был изготовлен специальный адаптер. Однако, впоследствии потребовалась внутрисхемная отладка. Для этого и последующего перепрограммирования микроконтроллера использовался инструмент AVR Dragon той-же фирмы (через его разъем ISP). Важно отметить, что для нормальной работы интерфейса debugWire инструмента в режиме внутрисхемной отладки конденсатор C3 следует удалить. Этот конденсатор установлен с целью уменьшения влияния помех по цепи питания на устройство сброса микроконтроллера. Во многих случаях, например при использовании описанного выше блока питания, его можно просто исключить из схемы.

Достарыңызбен бөлісу:


©kzref.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет