Световое табло с круговой механической разверткой (PIC16F84A)

Предлагаемое табло с помощью небольшого числа светодиодов создает относительно сложные графические изображения, для которых при обычном способе формирования потребовались бы сотни светодиодов. Как в кино или на телевидении, здесь используется инерционность человеческого зрения. Светодиоды, расположенные на вращающейся линейке, вспыхивают в определенном порядке. При частоте вращения около 25 Гц создается иллюзия, что "картинка" висит в воздухе.

рототипами этого устройства послужили неоднократно описанные в интернетпубликациях "пропеллерные часы". Создаваемое подобным табло изображение может быть как статичным, так и несложной анимацией (медленно вращающаяся фигура, изменение числа ее элементов). Если использовать светодиоды повышенной яркости, изображение будет хорошо различимо не только в сумерках, но и днем в отсутствие, конечно, прямого солнечного света. Объем памяти примененного в устройстве МК позволяет одновременно хранить в нем информацию, достаточную для формирования пяти-шести разных фигур.

Главный недостаток табло — наличие в нем вращающегося узла — заставляет позаботиться о защите зрителей от случайных травм. Табло необходимо устанавливать за прозрачным экраном, в витрине, или подвешивать его на недоступной зрителям высоте.

Табло изготовлено из компьютерного вентилятора, на роторе которого закреплен вращающийся узел с блоком управления и двумя линейками свето-диодов — красных и зеленых. Напряжение питания на этот узел поступает через высокочастотный трансформатор, вторичная обмотка которого размещена на роторе и вращается относительно первичной, укрепленной на неподвижном статоре. Генератор подаваемых на первичную обмотку высоко частотных импульсов и стабилизатор частоты вращения двигателя собраны на отдельной плате.

Процесс изготовления трансформатора с вращающейся вторичной обмоткой подобен описанному в (2). Прежде всего необходимо, удалив фиксирующую шайбу, снять крыльчатку вентилятора и, обрезав лопасти, зачистить внешнюю поверхность пластмассового стакана. Затем, закрепив стакан в патроне дрели, с помощью надфиля уменьшить на несколько десятых долей миллиметра его внешний диаметр по всей внешней поверхности, оставив небольшие бортики по краям. В полученном углублении намотайте в один слой 200 витков эмалированного провода диаметром 0,1 мм. Для придания обмотке жесткости покройте ее слоем изоляционного лака или эпоксидной смолы. Выводы обмотки необходимо пропустить в отверстия вблизи центра дна пластмассового стакана. Ротор двигателя с изготовленной обмоткой и закрепленной на нем платой подвижного узла изображен на рис. 1.
Теперь необходимо подобрать или изготовить втулку из изоляционного материала. Ее внутренний диаметр должен быть на 2...3 мм больше внешнего диаметра намотанной на роторе обмотки при толщине стенок 1...1.5 мм. Намотайте на втулку (виток к витку) 200 витков эмалированного провода диаметром 0.1 мм, сделайте отвод, а затем намотайте в том же направлении еще 200 витков. Зафиксируйте обмотку лаком и закрепите втулку на статоре подходящим клеем или "сваркой" с помощью паяльника" таким образом, чтобы ротор с вторичной обмоткой свободно вращался внутри нее. Закрепленная на статоре втулка с первичной обмоткой трансформатора показана на рис. 2.

Схема неподвижного узла табло изображена на рис. 3. Генератор симметричного импульсного напряжения частотой около 10 кГц выполнен на логических элементах микросхемы DD1. Через двухтактный усилитель мощности на полевых транзисторах VT1 и VT2 импульсное напряжение поступает на первичную {неподвижную) обмотку трансформатора Т1. Полевые n-канальные транзисторы IRF630 выбраны с большим запасом по мощности, поэтому их можно заменить аналогичными меньшей мощности, например, отечественными серии КП505.

Стабилизатор частоты вращения двигателя, собранный на микросхемах DA1, DA2 и транзисторе VT3. аналогичен описанному в [3). Он лишь переделан на однополярное питание, изменены его входной и выходной узлы. В качестве входного сигнала использованы формируемые в узле управления двигателя вентилятора импульсы, частота следования которых пропорциональна частоте вращения ротора. Если вентилятор не имеет специального выхода этих импульсов, их можно снять с одного из выводов установленной на плате узла управления трехвыводной микросхемы. Точку подключения определяют экспериментально, а провод, припаянный к найденному выводу, пропускают в просверленное в плате отверстие небольшого диаметра.

Необходимую частоту вращения ротора устанавливают подстроенным резистором R4. В действующем табло она соответствует получению устойчивого неподвижного изображения. Конденсаторы С1, С5, Сб. и особенно С2. необходимо выбрать с минимальным ТКЕ.
Стабилизатор имеет большой запас устойчивости, однако довольно медленно выходит в рабочий режим. При необходимости параметры петли регулирования можно изменить, подбирая элементы R26 и С14. Критерий подбора — устойчивость стабилизатора как в установившемся режиме, так и во время переходных процессов.

Напряжение питания микросхем неподвижного узла стабилизировано интегральным стабилизатором DA3. От него же питается U1.1 — "излучающая" половина оптрона с открытым оптическим каналом, механически отделенная от "приемной". Подобные оптроны часто используют в принтерах и копировальных аппаратах в качестве датчика наличия бумаги. В видеомагнитофонах они служат датчиками частоты вращения подкатушечника.

На рис. 4 приведен чертеж печатной платы неподвижного узла и расположения элементов на ней. Плату размещают в любом удобном месте, а ИК излучатель U1.1 крепят к корпусу вентилятора таким образом, чтобы на каждом обороте над оптическим окном излучателя проходило на расстоянии не более 5 мм оптическое окно установленной во вращающемся узле "приемной" части оптрона. При необходимости вместо соответствующих частей оптрона можно применить обычные ИК излучающий диод и фототранзистор.

Схема вращающегося узла табло показана на рис. 5. В нем установлены четыре группы светодиодов: красные HL1—HL13 на одном "крыле", зеленые HL14—HL26 — на другом. Светодиоды разного цвета свечения движутся по одинаковым круговым траекториям, поэтому при соответствующем управлении с их помощью можно синтезировать элементы изображения красного, зеленого или желтого цветов.

Сигналы управления формирует по записанной в него программе МК DD1. Начало процесса вывода изображения на каждом обороте ротора задает импульс, формируемый фотоприемником оптрона U1.2 при проходе над излучателем. После фильтрации цепью R2R3C2C7 и усиления транзистором VT1 этот импульс поступает на вход RA0 MK.

Катоды светодиодов HL1—HL7 и HL14—HL20 подключены попарно к выводам RB0—RB6 МК через резисторы, собранные в миниатюрные четырех -резисторные наборы DR1—DR8. Такие наборы легко найти на неисправных или морально устаревших компьютерных платах. Соединенными в последовательно-параллельные группы светодиодами HL8— HL13 и HL21-HL26 управляет через усилители на транзисторах VT2 и VT7 сигнал с выхода RB7 МК.
Сигналы, формируемые на выводах RA1 и RA2 МК, управляют анодными цепями соответственно "красных" и "зеленых" групп светодиодов, задавая цвета элементов создаваемого изображения. Усилители этих сигналов собраны на транзисторах VT3—VT6, VT8, VT9.

Вращающийся узел питается от обмотки II трансформатора Т1 через диодный выпрямительный мост VD1 и интегральный стабилизатор DA1.

На рис. 6 показаны чертежи печатных проводников на двух сторонах платы вращающегося узла. Расположение деталей на ней изображено в масштабе 2:1 на рис. 7. Так как двигатель использованного вентилятора сравнительно маломощный, с целью уменьшения веса и размеров вращающегося узла в нем применены в основном малогабаритные элементы для поверхностного монтажа.

Кружками с точками внутри на рис. 7 показаны переходы между проводниками на разных сторонах платы. В отмеченные таким образом отверстия необходимо вставить и пропаять с двух сторон отрезки неизолированного провода.

Центральное отверстие платы служит для прохода проводов к обмотке II трансформатора Т1. В отверстиях справа и слева от центрального нарезают резьбу для винтов, крепящих плату к пластмассовому стакану ротора двигателя. Практика показывает, что соединение получается достаточно прочным, если нарезать резьбу не метчиком, а самим винтом. Диаметр просверленного в плате отверстия е этом случае должен быть на 0,5 мм меньше внешнего диаметра резьбы Следует, однако, помнить, что такое соединение может не выдержать многократной сборки и разборки узла.

Плата должна плотно прилегать к стакану ротора, а для этого во всех местах паек на прилегающей к нему стороне платы в стакане должны иметься углубления. Чтобы сделать их, проще всего закрепить на стакане еще не смонтированную плату (центральное отверстие должно точно совпасть с геометрическим центром дна стакана) и просверлить все монтажные отверстия насквозь. После этого плату снимают, а отверстия в стакане зенкуют сверлом большого диаметра.
До установки на плату 18-контактной панели для МК необходимо смонтировать попадающие под нее резистор R6 и конденсатор С1. Выводы 15 и 16 панели вставляют в предназначенные для них отверстия и паяют с обратной стороны платы. Остальные выводы, изогнув и обрезав, паяют "внакладку" к печатным проводникам верхней стороны.

Выводы светодиодов и фотоприемника, находящихся на "крыльях" платы, соединяют с соответствующими контактными площадками в центральной части тонкими (0,1 мм) эмалированными проводами. Эти провода собирают в два жгута и фиксируют в нескольких точках каплями клея.
Чтобы при работе табло не возникала нежелательная вибрация, собранный вращающийся узел необходимо механически сбалансировать как при горизонтальном, так и при вертикальном положении "крыльев". Балансировочными грузами послужат капли термоклея. Но ими могут быть и капли припоя, нанесенного на свободные участки фольги.
Проверьте правильность сборки, для чего подайте напряжение +15 В на неподвижный узел табло при отключенном двигателе. Убедитесь, что питание поступает на вращающийся узел и между выводами 14 и 5 панели МК имеется напряжение 5 В при любом угле поворота ротора двигателя относительно его статора.

Выключив питание, установите в панель вращающегося узла МК с записанной в нем программой port test , специально предназначенной для проверки этого узла при остановленном двигателе. После подачи питания светодиоды должны зажигаться поочередно в последовательности от края к центру вращающейся платы (шесть светодиодов, ближайших к центру, включаются одновременно), сначала красные, затем зеленые. Если последовательность включения светодиодов нарушается, необходимо найти и устранить ошибки в их монтаже. Завершив проверку, можно заменить в микроконтроллере тестовую программу одной из прилагаемых к статье программ световых эффектов и подключить к неподвижному узлу двигатель.

Программы МК PIC16F84A написаны на языке С. Использовался компилятор HI-TECH PICC. бесплатную упрощенную
версию которого HI-TECH PICC Lite можно скачать с сайта <www.htsoft.com>. Они имеют много общего, а различаются в основном массивами данных для реализации того или иного светового эффекта.

Чтобы разработать такой массив, необходимо начертить тринадцать концентрических окружностей и 120 пересекающих их через каждые 3 градуса радиусов. Синтезируемое изображение рисуют цветными точками в местах пересечений окружностей с радиусами, каждая из них соответствует вспышке светодиода. По внешней окружности расположены вспышки светодиодов HL1 и HL14, по следующей за ней — HL2 и HL15 и так далее. Имейте в виду, что светодиоды на шести внутренних окружностях могут вспыхивать только одновременно (красные и зеленые отдельно). Фрагмент подготовленного к программированию изображения показан на рис. 8.

Каждый байт, записываемый в программу, отображает состояние светодиодов на одном радиусе подготовленного изображения. Младший разряд байта соответствует светодиоду, наиболее удаленному от центра, старший — группе из шести светодиодов в центре. Байты записывают в порядке, соответствующем вращению ротора против часовой стрелки, начиная с того места, где находится датчик синхронизирующих импульсов. Для светодиодов, управляемых по отдельности, единица в соответствующем разряде байта соответствует выключенному, а ноль — включенному. Управление шести светодиодными группами иное: при 1 в старшем разряде байта светодиоды включены, а при 0 они выключены.

Учтите, что информация о том, светодиоды какого цвета должны быть включены, в таблице отсутствует. Цвет задают программной установкой высокого или низкого уровня напряжения на выходах RA1 и RA2 МК. При этом необходимо учитывать, что линейки светодиодов разного цвета развернуты в пространстве на 180 градусов и занимают одинаковое положение через пол-оборота ротора.

Все 120 байтов необходимо записывать в память только для формирования изображений, например, надписей, в которых какая-либо симметрия отсутствует. При синтезе симметричных фигур объем таблиц можно значительно сократить. Если симметрия центральная, достаточно запрограммировать только ее повторяющийся фрагмент (например, один луч звезды), а затем в течение оборота ротора воспроизвести его нужное число раз. Чтобы создать фигуру с осевой симметрией, например "елочку", можно запрограммировать ее половину, а затем воспроизвести информацию в прямой и обратной последовательности.

Фотографии готового устройства.

Автор статьи: А. Гирлин, г. Сургут
Источник: Журнал Радио 2007 №9
Просмотров: 4433