Светодинамические установки (стр. 1 из 10)
ВВЕДЕНИЕ
Светодинамические установки (СДУ) находят широкое применение в автомобильной электронике (для управления стоп-сигнальными "огнями"), для эстетического оформления баров, дискотек, казино, праздничной иллюминации, при подготовке выставок, презентаций, а также для организации световой рекламы.
СДУ с программируемыми алгоритмами позволяют реализовывать большое многообразие светодинамических эффектов и управлять по программе большим числом световых элементов. Такое устройство можно выполнить, к примеру, на одном микроконтроллере и нескольких регистрах, в качестве интерфейсных схем, для управления набором световых элементов. Применение распространенных микросхем стандартной логики позволяет построить полностью автономное многоканальное светодинамическое устройство с интегрированным программатором, не требующее использования никаких дополнительных программаторов, вообще, или компьютера, в частности.
СДУ можно разделить на три типа: к первой группе относятся простые в смысле аппаратной реализации устройства, реализующие ограниченный набор эффектов; ко второй группе относятся устройства с использованием ИМС памяти типа РПЗУ; третья группа – СДУ на микроконтроллерах. Представленное в данном проекте устройство условно можно отнести к промежуточной между второй и третьей группой категории.
В данном проекте реализована VHDL-модель устройства управления светодинамической индикацией. Язык описания аппаратуры для высокоскоростных интегральных схем (VHSIC), называемый VHDL, является формальной записью, которая может быть использована на всех этапах разработки электронных систем. Вследствие того, что язык легко воспринимается как машиной, так и человеком он может использоваться на этапах проектирования, верификации, синтеза и тестирования аппаратуры также как и для передачи данных о проекте, модификации и сопровождения.
1. ОБЗОР ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
1.1. Классификация устройств светодинамической индикации
Светодинамические установки (СДУ), описания которых часто встречаются на страницах радиотехнической литературы, по архитектуре построения можно условно разделить на три группы. Первая группа - это устройства, в которых реализован ограниченный набор эффектов при относительно небольших аппаратных затратах, вторая группа - более сложные по архитектуре устройства с использованием ИМС памяти типа РПЗУ, третья группа – СДУ на микроконтроллерах. Применение устройств второй и третьей групп позволяет получить большое многообразие светодинамических эффектов. Реализация устройств первого типа не вызывает затруднений, в то время как изготовление СДУ второй группы требует применения специальных программаторов.
Как показывает практика эксплуатации светодинамических устройств, эстетический визуальный эффект создают именно устройства с "запрограммированным" алгоритмом, а не сформированным случайным образом с использованием генератора случайных чисел (ГСЧ). Поэтому устройства на основе ГСЧ можно не рассматривать в данной классификации.
Второй недостаток заключается в том, что в любом из указанных случаев набор светодинамических эффектов жестко фиксирован. Поэтому, если в устройствах на основе РПЗУ можно изменить набор эффектов путем перепрограммирования микросхемы памяти с использованием программатора, то в устройствах на основе жесткой логики, в которых заложен фиксированный алгоритм, это вообще невозможно. Неограниченное число световых эффектов доступно лишь автоматам на базе ПЗУ и МК, но для запуска таких приборов в действие пользователь должен располагать компьютером и программатором.
Третьим недостатком можно назвать возможность управления только ограниченным набором светоизлучающих элементов (светодиодов, ламп накаливания), поскольку на каждый элемент приходится один сигнальный провод.
1.2 Схемы-аналоги
1) Переключатель гирлянд.
Рисунок 1.1 – Переключатель гирляндСхема первого переключателя представлена на рис. 1. Это устройство управляет двумя гирляндами, состоящими из малогабаритных светодиодов красного и зеленого цветов, и предназначено для украшения небольшой новогодней елки.
На транзисторах VT1, VT2 собран симметричный мультивибратор, частота переключения которого определяется номиналами резисторов R1 — R4 и конденсаторов Cl, C2. Для указанных на схеме номиналов этих элементов частота составляет около 1 Гц. В коллекторные цепи транзисторов включены две гирлянды из светодиодов HL1 — HL32. Диоды VD1, VD2 и резисторы Rl, R4 необходимы для обеспечения перезарядки конденсаторов С1 и С2. Источник питания переключателя гирлянд выполнен по схеме однополупериодного выпрямителя на диоде VD3 с использованием балластного конденсатора С4 для гашения напряжения. Диод VD4 необходим для перезарядки конденсатора при положительной волне (относительно нижнего по схеме провода сети) напряжения, резистор R6 ограничивает импульс тока при включении устройства в сеть, когда конденсатор разряжен. Через резистор R5 конденсатор С4 разряжается после выключения устройства из сети. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются конденсатором СЗ. Стабилитрон в блоке питания отсутствует, а напряжение на элементах мультивибратора ограничивается напряжением на включенной гирлянде светодиодов, т.е. светодиоды выполняют функцию стабилитронов. Поскольку в любой момент времени обязательно включена одна из двух гирлянд, напряжение на конденсаторе СЗ не может превысить напряжение на светящейся гирлянде.
Достоинство схемы: простота реализации.
Недостатки схемы: маленькая выходная мощность, наличие всего одного режима переключения гирлянды.
2) Автоматический переключатель гирлянд.
Данная схема довольно проста, но и она реализует достаточно большое количество световых эффектов, таких как «бегущая тень», «бегущий огонь», «попарное включение», «поочерёдное включение и гашение» и т.д.
Рисунок 1.2 – Автоматический переключатель гирлянд
Основа устройства - четырехразрядный регистр сдвига с параллельной загрузкой К555ИР16. Узел управления регистром состоит издвоичного счетчика К555ИЕ7 и логических элементов DD1.3 и DD3.1. Эффект "бегущих огней" достигается в одну сторону за счет обычного сдвига кода в регистре, в обратную - параллельной записью в регистр его на один разряд.
Задающий генератор автомата собран на элементах DD1.1 и DD1.2. Частота импульсов 3-4Гц. Её можно изменить подбором R1 И С1. Автомат может управлять не только светодиодами, но и лампами питающимися от сети. Для этого их надо подключить по следующей схеме.
Рисунок 1.3 – Схема включения ламп, питающихся от сети
Рассмотрим особенности работы этого устройства. На инвертирующий вход компаратора DA2 поступают пилообразные импульсы с частотой, равной двойной частоте сети. На неинвертирующий вход компаратора поступают треугольные импульсы инфранизкой частоты, которые формирует генератор, собранный на логических элементах микросхемы DD1. Элементы D1.1, DD1.2 и резисторы R10, R11 образуют триггер Шмитта, входящий в состав генератора. Допустим, на выходе логического элемента DD1.3 действует напряжение высокого уровня, а конденсатор С4 разряжен. В этом случае через диод VD5 и резистор R11 конденсатор С4 будет заряжаться, а напряжение на нем будет увеличиваться. Когда оно достигнет верхнего порога переключения триггера Шмитта, последний переключится в противоположное состояние, и на выходе элемента DD1.3 установится напряжение низкого уровня. Теперь конденсатор С4 будет разряжаться через открывшийся диод VD4 и резистор R10. При уменьшении напряжения до нижнего порога переключения триггер Шмитта вновь переключится в противоположное состояние, и процесс формирования импульса повторится. В результате на конденсаторе С4 форма напряжения будет близка к треугольной. Воздействие этого напряжения на неинвертирующий вход компаратора приводит к формированию на выходе компаратора импульсов тока изменяющейся скважности; эти импульсы тока, протекая через цепь управляющего электрода симистора VS 1, изменяют яркость ламп гирлянды (они подключены к гнездам "Нагрузка") от минимальной до максимальной и наоборот.
Стабилитрон VD3 необходим для того, чтобы "приподнять" пилообразное напряжение до уровня, соответствующего нижнему порогу переключения триггера Шмитта. В качестве микросхемы DA2 можно использовать, помимо указанной на схеме, компараторы типа К521САЗ. При использовании компараторов других типов придется применить усилитель тока выходного каскада. Транзисторы VT1, VT2 могут быть любыми структуры n-р-n. Замена остальных радиодеталей, думается, не вызовет затруднений.
Настройка устройства состоит в регулировании подстроечными резисторами R10 и R 11 скоростей зажигания и гашения ламп гирлянды.
Достоинства схемы: Больше режимов, чем у первой схемы, но меньше чем у нашей схемы, есть режимы, когда все огни горят либо все погашены, т.е. в этом случае нет никакого бегущего огня.
Недостатки схемы: Схема управления выходными тиристорами не предусматривает стробирования импульсов управления сигналом нулевого напряжения сети, т.о. переключатель создает помехи для электрооборудования, которые тем больше, чем мощнее нагрузка.
3) Автомат переключения гирлянды.
Предлагаемое устройство предназначено для плавного переключения обычной сетевой елочной гирлянды с часто той 0,2…2Гц. Яркость свечения ламп можно регулировать. Предполагается использование гирлянды напряжением питания 220В, мощностью не более 100 Вт. Принципиальная схема автомата переключения изображена на рис.1. Частотой переключения управляет мультивибратор, собранный на элементах DD1.3, DD1.4. Сдвиг момента открывания тиристора VD6 о т начала полупериода сетевого напряжения происходит из-за задержки переключения инверторов на логических элементах DD1.1 и DD1.2, формируемой цепью R6, R7, R9, С3. В каждом полупериоде напряжения сети конденсатор С3 медленно заряжается через резисторы R5, R6, R7 и быстро разряжается после переключения элементов DD1.1, DD1.2 через диод VD10 и открывшийся тиристор VD6.