Микроконтроллер управления наружным освещением.

СОДЕРЖАНИЕ
Перечень условных обозначений и сокращений
Вступление
1. Обзор аналогов. выбор и обоснование направления исследования
1.1. Анализ методов и технологий наружного освещения с использованием светодиодов
1.2. Технические решения процесса управления декоративной светодиодной подсветкой
1.3. Постановка задач исследования
Выводы
2. Разработка структурной схемы
2.1. Принцип динамической индикации
2.2. Общие принципы построения структурной схемы
2.3. Структурная схема разрабатываемой установки
Выводы
3. Разработка принципиальной схемы
3.1. Реализация принципа динамической индикации
3.2. Варианты схемной реализации принципа динамической индикации.
3.3. Выбор и обоснование элементной базы устройства.
3.4. Принципиальная схема микроконтроллерного устройства управления наружным освещением.
Выводы
4. Разработка программного обеспечения.
4.1. Алгоритм работы проектируемого устройства
4.2. Алгоритм работы программы.
4.3. Листинг программы:
Выводы
Заключение
Список использованных источников
Приложения

Микроконтроллер управления наружным освещением.

Размер пикселя не зависит от размера экрана. Увеличение размера экрана достигается увеличением его информационной емкости.
С учетом того, что каждый светодиод является практически точечным источником света (световой поток рассеивается корпусом светодиода в небольшой степени), пикселизация поля светодиодного экрана существенно больше, чем, например изображения на плазменной панели или проекционном экране. Явление иррадиации (зрительное ощущение размывания точечного источника света при его высокой яркости) в некоторой степени снижает пикселизацию. Другим способом уменьшения пикселизации является использование диффузных фильтров и увеличение соотношения размер / шаг пикселя.
Диаграмма направленности формируется каждым светодиодом. Для того чтобы диаграмма направленности экрана в целом соответствовала диаграмме направленности диодов, необходимо использовать светодиоды разных цветов свечения с идентичными конструктивными параметрами. Светодиоды должны устанавливаться в экран с минимально возможными отклонениями по высоте и углам наклона относительно осевой линии. Для овальных светодиодов также важно не допускать поворотов относительно оси. Нарушение этих требований приводит к разбросу диаграмм направленности различных светодиодов. При наблюдении экрана под достаточно большими к нормали углами такой разброс выражается в появлении на изображении аномально ярких точек различных цветов.
При соблюдении цветового баланса по белому цвету яркость светодиодного экрана можно упрощенно рассчитать по формуле:
L=(aIr+bIg+cIb)/p2 ,
где: L - яркость экрана, кд/м2; a, b, c – число светодиодов в пикселе соответствующего цвета; I – сила света соответствующего светодиода, кд; p – шаг пикселей, м
Например, если пиксель состоит из трех светодиодов со сбалансировованной силой света (Ir =0,3 кд; Ig =0,59 кд; Ib =0,11 кд) и шаг пикселей равен 10 мм, то яркость составит L =10000 кд/м2. Если для пикселей того же состава увеличить шаг до 20 мм, то яркость снизится до 2500 кд/м2.
Собственный контраст светодиодного экрана может быть очень высок, так как при корректном управлении светодиодами паразитная засветка полностью отсутствует.
Для оценки внешнего контраста следует учитывать, что поверхность светодиодного экрана состоит из оптически различных участков: светодиодов с высоким коэффициентом отражения (например, 0,9) и промежутков между ними с низким коэффициентом отражения (например, черная поверхность с коэффициентом 0,1). Тогда, для случая равномерной внешней освещенности, можно получить следующую оценку внешнего контраста:
Cout=(Lmax+Lout)/Lout, Lout=Kmid*Eout/pi, Kmid=0,1+0,8Sled/Spix,
где: Cout - внешний контраст; Lmax - максимальная яркость экрана; Lout - внешняя яркость; Kmid – усредненный коэффициент отражения; Eout - внешняя освещенность; Sled - площадь светодиодов в одном пикселе; Spix - площадь пикселя; pi = 3,14.
Например, при яркости экрана 2500 кд/м2, площади светодиодов в пикселе 38 мм2, шаге пикселей 12 мм, внешней освещенности 1000 лк, получим Cout = 26.
Дополнительно повысить контраст можно при использовании нейтрально серого фильтра, за счет двойного ослабления внешнего света.
1.2. Технические решения процесса управления декоративной светодиодной подсветкой
Наиболее распространенными в декоративной подсветке являются простые монохромные светильники, табло типа бегущая строка, разного рода гирлянды. Рассмотрим работу некоторых из них.
1.2.1. Устройство для управления декоративным светодиодным освещением. [1] Схема прибора управления светодиодными светильниками представлена на рис. 1.2. На разъем Х1 от понижающего трансформатора поступает переменное напряжение 20 В, которое вы­прямляет диодный мост VD2. Сглаженное конденсатором С2 постоянное напряжение подано на интегральный стабилизатор DA1, на выходе которого подстроечным резистором R7 необхо­димо установить 24 В. Зеленый светодиод HL1 сигнализирует о его наличии.
Рис. 1.2. Принципиальная схема устройства управления декоративным светодиодным освещением
На стабилитроне VD3 и транзисторе VT1 собран стабилизатор напряжения 15 В для питания узла управления полевым транзистором VT5. Напряжение 5 В, питающее сдвоенный ОУ DA2 и микроконтроллер DD1, получено с помощью интегрального стабилизатора DA3.
Прибор управления включает и выключает декоративные светодиодные светильники в зависимости от уровня естественной освещенности объекта. Программно введена задержка переключения на 60 с, чтобы исключить влияние кратковременных изменений освещенности, вызванных фарами автомобилей, молниями, облаками и другими подобными факторами. Порог переключения можно установить жестко или предусмотреть его регулировку переменным резистором. Имеется защита от замыканий в светильниках и от превышения допустимого для них напряжения, вызванного неисправностью стабилизатора.
Все функции управления и контроля реализованы программно с помощью микроконтроллера DD1. Цепь C9R17VD4 формирует сигнал установки микроконтроллера в исходное состояние длительностью, достаточной для окончания переходных процессов в цепях питания. Тактовая частота микроконтроллера задана кварцевым резонатором ZQ1. Датчиком естественной освещенности служит фототранзистор VT1, который можно установить на передней панели прибора или в другом защищенном от воздействия света управляемых прибором светильников месте на некотором удалении от него.
Резисторы RIO, R14, R16 вместе с фототранзистором образуют измерительный мост, к диагонали которого подключены входы РВО и РВ1 микроконтроллера. Порог срабатывания регулируют переменным резистором R16, который можно заменить подобранным постоянным, если частая регулировка не требуется. Об освещенности ниже пороговой сигнализирует зеленый светодиод HL2, включаемый программно.
Светодиодные светильники подключают с соблюдением полярности к разъему ХЗ, ими управляет полевой транзистор VT5 по сигналу, формируемому микроконтроллером на выходе PDO. Усилитель на транзисторах VT3 и VT4 доводит этот сигнал до уровня, необходимого для подачи на затвор полевого транзистора. Индикатор включения светильников — желтый светодиод HL3. управляемый сигналом с выхода РОЗ микроконтроллера.
Два компаратора, собранных на ОУ микросхемы 0А2, следят за напряжением на выходе стабилизатора 0А1, подаваемым на светильники. Образцовое напряжение поступает на ком­параторы со стабилитрона VD1. Пороги срабатывания регулируют подстроечным резистором R5. Разность порогов “верхнего” и “нижнего” компараторов зависит от номинала резистора R4. В случае неожиданного повышения контролируемого напряжения (например, вследствие выхода из строя стабилизатора DA1) изменяются состояние “нижнего” компаратора микросхемы DA2 и уровень на входе РВЗ микроконтроллера. Понижение напряжения, вы­званное, например, замыканием в одном из светильников или повреждением изоляции соединительных проводов, приводит к срабатыванию “верхнего” компаратора и изменению уровня на входе РВ2 микроконтроллера. В обоих случаях программа устанавливает низкий уровень на выходе PDO. что закрывает транзистор VT5 и выключает светильники, а также высокий уровень на одном из выходов PD4 и PD5 включая красный светодиод соответственно HL4 (”Замыкание”) или HLS (”Опасное напряжение”).
1.2.2. Устройство управления декоративным освещением типа "Бегущие огни" Особенность данной системы заключается в способе соединения ламп в гирляндах. Функциональная схема установки приведена на рис.1.3. В данной схеме лампы соединены по матричной схеме и подключены к питающей сети через две группы электронных ключей. Первая группа ключей управляется первыми четырьмя каналами схемы управления, а вторая — другими четырьмя каналами.
Таким образом, возможно перемещение огней как по вертикали, так и по горизонтали. То есть, если первая группа ключей замкнута, а вторая работает по программе "бегущий огонь", — происходит вертикальное перемещение рядов светящихся ламп. Если замкнута вторая группа ключей, а первая работает по программе "бегущий огонь" — происходит горизонтальное перемещение рядов ламп. При одновременной подаче сигнала "бегущий огонь" на обе группы ключей произойдет перемещение огней по диагонали.
Поэтому, подавая на обе группы ключей различные комбинации управляющих сигналов, можно получить различные комбинации световых эффектов, определяемые программой "прошивки" ППЗУ.
Рис. 1.3. Функциональная схема 8-канальной автоматической установки "Бегущие огни"
1.2.3. Устройство управления декоративным освещением для рекламного щита. [1] Для привлечения клиентов, магазины и всевозможные организации используют световую рекламу в виде развешенных ярких лампочек и надписей. Хорошо, если это солидная организация, в которой включением и выключением наружной рекламы управляет специально назначенный человек. А если это делать некому, то часто происходит неоправданный перерасход электроэнергии. Замена ламп в рекламных щитах - процедура непростая, а если это световой шнур "дюролайт", в котором сгоревшие лампочки вообще не меняются, то и того хуже. Для целей плавной регулировки яркости предложена схема (рис. 1.4.). Кроме плавной регулировки напряжения нагрузки, в ней предусмотрено отключение нагрузки в утреннее время и включение в вечернее.
Рассмотрим работу устройства. Сетевое напряжение (220 В) гасится на емкости С1, выпрямляется диодами VD1, VD2, сглаживается конденсатором С2 и стабилизируется стабилитроном VD3 на уровне примерно 9 В. От данного напряжения запитывается вся схема. Формирователь импульсов (в момент перехода сетевого напряжения через ноль) собран на транзисторах VT1, VT2 и резисторах R2...R4. В момент перехода напряжения через ноль на входе 6 элемента DD1.2 образуется отрицательный импульс. Если фотодиод VD4 засвечен, то на выходе DD1.1 устанавливается нулевой уровень, который запрещает прохождение импульсов от формирователя. На выходе 4 DD1.2 - нулевой уровень, и транзистор VT3 закрыт. В ночное время на выходе 3 DD1.1 устанавливается логическая "1". Импульсы с формирователя открывают транзистор VT3 на время примерно 0,5... 1 мс. Конденсатор С4 заряжается до уровня напряжения питания. Затем он плавно разряжается через цепочку R7-R8. Напряжение на С4, достигнув уровня логического "О", переключает элементы DD1.3, DD1.4.
Рис. 1.4 Принципиальная схема светорегулятора для рекламного щита
Нулевой уровень на выходе 11 DD1.4 заряжает конденсатор С5. На зремя зарядки транзистор VT4 закрывается, a VT5 - открывается и включает тиристор VS1. Длительность импульсов на управляющем электроде VS1 зависит от параметров цепочки C5-R9 и составляет 10...20 мкс. При следующем переходе через ноль цикл повторяется. Достоинством данной схемы является то, что частота открывания симистора остается неизменной, и изменение сетевого напряжения на процесс регулирования не влияет.
В устройстве применены следующие детали. Конденсаторы С1,СЗ,С4 - типа К73-17, С2 - К50-35, С5 - КМ6. Резистор R6 - типа СП3-1, R7 - СП-04, остальные - МЛТ. В качестве VD1 подойдут КД509, КД510, КД209 с допустимым напряжением 25...50 В и током 100...200 мА. Вместо Д814Б подойдут любые стабилитроны с напряжением стабилизации 8...15 В.
Вместо КТ315 можно применить КТ312, КТ316, КТ201, КТ3102, вместо КТ361 - КТ203, КТ209, КТ3107. Фотодиод ФД263 заменяется на ФД 320.
Если необходимо коммутировать значительную мощность, симистор необходимо установить на радиатор, или применить более мощный, например, ТС2-25.
При наладке резистором R6 необходимо подобрать порог включения/выключения нагрузки, а резистором R7 - яркость свечения. Для нормальной работы устройства и предотвращения релаксационных колебаний на фотодиод надевают черный кембрик длиной 20...30 мм и направляют его в сторону от рекламных лампочек и ярких фонарей.
1.3. Постановка задач исследования
Рассмотренные выше схемы реализации управления декоративной светодиодной подсветкой наружного освещения позволяют сделать вывод, что в основе блока управления светодиодным полем необходимо использовать микроконтроллер. В задании на дипломное проектирование предусмотрено разработка микроконтроллерного управления светодиодным полем размером 8х16 элементов. При этом основные требования к проектируемому устройству следующие:
включение по датчику освещения;