Например TDA7294

РадиоКот >Схемы >Цифровые устройства >Бытовая техника >

Теги статьи: ЧасыМеханическая развертка (пропеллер итп)Добавить тег

Часы-пропеллер по-русски

Автор: Marcus
Опубликовано 28.08.2012.
Создано при помощи КотоРед.

Привет, Радиокот! Поздравляю тебя с Днем Рождения и желаю, чтобы твой сундук со схемами и описаниями девайсов пополнялся всё большим количеством шедевров! И со своей стороны вручаю тебе вот такой вот красивый подарочек!


Ну а теперь о том, что это такое, и как это работает.

Эти часы известны как "Часы-пропеллер" (Propeller Clock), "Виртуальные часы" (Virtual Clock). Их особенность состоит в том, что изображение часов создается быстро вращающейся линейкой светодиодов. При взгляде на эти часы создается иллюзия, будто они проецируются в воздухе!

В интернете есть множество конструкций таких часов, однако все они не доведены до ума: в некоторых конструкциях энергия на подвижную часть передается через скользящий контакт – это шумно и ненадежно; при отключении питания почти во всех конструкциях время у часов сбрасывается; в некоторых конструкциях использована батарея резервного питания на подвижной части – страшно подумать какие возникают биения из-за батареи (это приводит к быстрому выходу из строя подшипника мотора). Кроме того, такие часы не оставишь на ночь включенными – шум мотора и яркая подсветка будут мешать уснуть.

В связи с этим было решено сделать часы со следующими возможностями:
  • сохранение времени и даты при отключении питания;
  • автоматическое отключение на определенный промежуток времени (например,  когда дома никого нет, - чтобы понапрасну не расходовать ресурс мотора);
  • снижение яркости и скорости вращения стрелки в ночное время (ночью зрение более инерционно, поэтому снижение оборотов не приведет к сильному мерцанию часов);
  • энергия на стрелку должна передаваться бесконтактным методом;
  • управление часами с пульта ДУ и с компа;
  • максимальная надежность (никаких скользящих контактов и биений стрелки быть не должно);    
  • конструкция должна быть из доступных компонентов;

Итак, часы делаем из двух плат – подвижная, находящаяся на роторе мотора и неподвижная. На подвижную плату было решено возложить только функцию индикации, а на неподвижную – все остальные функции. Энергию и данные на подвижную часть было решено передавать по трансформатору, об этом подробнее ниже)) А сейчас – схемы.

Рис. 1. Неподвижная часть (кликабельно)

Рис. 2. Подвижная часть (кликабельно)

Стационарная (неподвижная) часть.

Итак, начнем повествование с неподвижной части. Сердцем схемы является микроконтроллер (МК) DD3 ATmega48. Этот контроллер был выбран потому, что имеет 4 ШИМ-порта, у которых можно настраивать период ШИМ. Это очень удобно для экспериментального подбора рабочей частоты и скважности питающего напряжения вращающегося трансформатора. С помощью этих портов также можно управлять мостовым преобразователем с генерацией мертвого времени (dead-time, чтобы исключить одновременное открытие верхнего и нижнего транзистора). Такой преобразователь собран на элементах DA1, DA3, VT1, VT3. Топология «мост» выбрана неслучайно. При таком питании трансформатора, на вторичной обмотке не будет страшных выбросов, которые будут нам мешать, поскольку мы не только передаем на нее напряжение, но еще и данные.

Еще один вывод ШИМ задействован для регулировки скорости вращения мотора.

При отключении питания текущие время и дата должны сохраняться. За это отвечает микросхема часов реального времени DD2.

Чтобы часы управлялись с пульта, в схеме установлен фотоприемник TSOP4836. Хочу сказать, подойдет абсолютно любой фотоприемник на 5 В и рабочей частотой 36 кГц (38 кГц для пульта SONY). Кстати, прошивка написана для пультов SONY, в частности для RM-869.

Светодиод HL2 – инфракрасный. Его излучение используется стрелкой для определения своего положения.

На борту микроконтроллера также имеется аппаратный интерфейс UART. Через преобразователь интерфейсов USB-UART DD1, часы можно подсоединить к компу для конфигурирования и загрузки изображения/текста. Кроме того, по этому же интерфейсу можно и отправлять данные на подвижную часть! О передачи данных я расскажу попозже, а сейчас

Подвижная часть (стрелка).

Ядром стрелки является микроконтроллер ATmega8L, к портам которого через резисторы подсоединено 20 светодиодов, фотодиод как датчик положения, и выход дешифратора UART. Обращаю внимание, что половина светодиодов соединяется катодами к портам МК, а вторая половина – анодами. Это сделано для того чтобы распределить нагрузку между питающей и земляной шиной МК, и не перегружать одну из шин.

В качестве стабилизатора был выбран давно всеми избитый 78L05))). Ставить импульсный преобразователь не имеет смысла, т.к. большую часть времени идет сильная просадка на вторичной обмотке трансформатора. Имеет смысл поставить какой-нибудь LDO-стабилизатор, но выигрыш по сравнению с 78L05 будет минимальным. Фактически, в данном случае стабилизатор тут нужен только для того, чтобы не сжечь схему, когда не горят светодиоды, но в основном, большую часть времени выходные транзисторы стабилизатора открыты.

Стрелка определяет свое положение благодаря фотодиоду (или фототранзистору) HL21. Он может быть любым.

Через диод VD5 сигнал поступает на вход дешифратора. Дешифратор представляет из себя 2 RC-фильтра и 2 компаратора, которые преобразуют ВЧ сигнал высокого уровня в «1», а низкого уровня – в «0».

Ну и теперь самое интересное: как идет

Передача данных.

Изначально предполагалось передавать данные путем изменения частоты питающего стрелку напряжения (20 кГц – «1», неактивный уровень UART; 100 кГц – «0», активный уровень UART). Однако красиво передача данных шла только при моделировании в Протеусе))) В реальности же это оказалось сделать почти невозможным.

Позже пришла идея переключать режим работы трансформатора мост/полумост. А прикол здесь вот в чем. При питании транса от мостового преобразователя (передаем «1»), на выходе трансформатора мы получаем и положительные и отрицательные импульсы. Таким образом, положительные импульсы проходят через диод VD5 и в точке А (рис. 2) мы получаем сигнал, форма которого показана на рис. 3.


Рис. 3. Форма сигнала в точке А рисунка 2 при работе трансформатора в режиме моста

Рис. 4. Форма сигнала в точке А рисунка 2 при работе трансформатора в режиме полумоста

Разница между представленными сигналами колоссальная! Далее после диода VD5 фильтруем сигнал с помощью DA3, и получаем на ее выходе чистый UART))

С указанными номиналами дешифратор работает на скорости до 1200 бит/с. Теоретически, можно достичь и большей скорости, но меня и эта вполне устроила.

Хочу заметить, для связи со стрелкой неподвижная часть тоже использует аппаратный UART. В нормальном режиме включена связь с компьютером: транзистор VT2 закрыт и данные на скорости 38400 бит/с без препятствий передаются на DD1 и далее на комп. Когда нужно передать данные на подвижную часть, мы открываем VT2, тем самым блокируя передачу данных на комп; конфигурируем скорость в 1200 кбит/с и включаем прерывания INT0 по фронту и срезу. В прерывании считываем состояния ножки и в соответствии с уровнем включаем трансформатор в нужный режим.

Подводный камень

При переходе в полумостовой режим, стрелка получает всего 50% мощности и плюс к этому более пульсирующее питающее напряжение (как будто с диодного моста перешли на один диод). Если в момент передачи данных горят светодиоды, то при передачи «0» мы получаем сильную просадку питающего напряжения. Так как МК работает на встроенном RC-генераторе, и его тактовая частота зависит от напряжения, то мы получаем рассинхронизацию при приеме данных. В связи с этим нужно либо гасить светодиоды во время обмена данными (как я и сделал), либо ставить кварц.

Внутреннее ПО.

К статье прилагаю исходный код для стрелки. Он слабо закомментирован, но в принципе разобраться в нем не сложно. Опишу основные моменты:

  • Разрешение экрана составляет 3 градуса (1 оборот стрелки разбит 120 секторов)
  • Для вывода изображения используется двойной буфер – в одном рисуем, а второй индицируем. Это сделано для того, чтобы избежать мусора на экране в момент перерисовки.
  • Функция вывода изображения на экран написана на if-else, т.к. нужна высокая скорость ее выполнения.
  • Вычисление периода переключения секторов производится не каждый оборот, а только когда происходит некоторое изменение скорости вращения стрелки. Это помогает избежать сильного дерганья (джиттера) изображения, когда часы работают на стабильных оборотах.
  • Однако небольшое дерганье изображения иногда все же идет. Оно обусловлено отсутствием приоритетов прерываний в данном МК. Если вдруг раньше срабатывает прерывание от ИК-фотодиода, то изображение чуток смещается против часовой стрелки. Для устранения этого бага требуется МК с векторным контроллером прерываний.

Исходники стационарной части не выкладываю. Для нее прогу пришлось писать на скорую руку, и там все очень криво написано. Не хочу стыдиться. Но .hex выкладываю для обеих плат.

Теперь перейдем к моей самой нелюбимой части. Называется она

Механика

Итак, мы имеем:


Рис. 5. Печатная плата неподвижной части (слева - вид сверху, справа - вид снизу)

Рис. 6. Подвижная часть. Овалом обозначены участки со снятой маской

На обратной стороне стрелки видим посадочное место под фотодиод и площадки со снятой маской. Эти площадки сделаны для балансировки: на них наносим припой до тех пор, пока не пропадут биения при вращении. Стрелка вращается со скоростью 40 об/мин, так что очень важно хорошо ее сбалансировать.

В качестве мотора я использовал обычный кулер. На рис. 7 показаны 2 кулера: один с подшипником скольжения второй – качения.



Рис. 7. Кулеры, использованные в качестве моторов в моих конструкциях. Слева – с подшипником качения, справа – скольжения

Казалось бы – подшипник качения конечно же будет лучше, но… Да, он действительно более дорогой, долговечный, и сразу набирает нужные обороты, но подводный камень тут в том, что плата управления в кулере с подшипником качения проще, и похоже она питает мотор чистыми прямоугольными импульсами (а не синусом), что приводит к сильному гулу мотора. В кулере с подшипником скольжения иная ситуация, там похоже синус на обмотках мотора и он практически бесшумен!

Теперь сборка. У кулера выкусываем все лопасти, и откусываем моторчик от креплений (рис. 8).



Рис. 8. Перекусываем крепления по линиям

Напильником сглаживаем образовавшиеся неровности на роторе. Затем на нем наматываем вторичную катушку (она будет питать стрелку). Аккуратно наматываем 60 витков проводом 0,2 мм. Катушку заклеиваем, чтобы не разматывалась. Получаем что-то вроде этого:

 

Рис. 9. Стрелка, установленная на роторе с намотанной вторичной катушкой

Затем делаем каркасик чуть большего диаметра, чем получившаяся катушка. Зазор между катушками должен быть как можно меньше! Затем на каркас наматываем первичную обмотку – 35 витков провода 0,35 мм. Ее мы приклеиваем к бывшим креплениям статора. В итоге получим то что показано на рис. 10.

 

Рис. 10. Монтаж первичной обмотки

ВНИМАНИЕ!!! Мотор не разбирать! Разборка увеличит его уровень шума и снизит его долговечность.

Теперь корпус.

Тут уж дело вкуса и возможностей каждого. Я делал из оргстекла. Лучше всего конечно заказать в фирме, которая занимается лазерной резкой, гравировкой. В приложениях к статье есть чертеж, по которому я уже заказывал лазерную резку оргстекла. Полученные после лазерной резки элементы удобно склеивать, и в итоге получается красивый корпус.

Когда корпус собран, к центру приклеиваем моторчик со стрелкой, на стойках сзади ставим стационарную плату, вставляем ИК-диод, все соединяем и готово! Можно включать! Все должно заработать сразу. Единственное, если не пойдет передача данных на стрелку, то может потребоваться подбор резистора R28 на стрелке.

 

Рис. 11. Готовая конструкция

 

Рис. 12. Готовая конструкция. Вид сбоку

Как пользоваться этим чудом техники.

А пользоваться им просто: управление идет с пульта. Назначение кнопок показано на рисунке 13.

 

Рис. 13. Назначение кнопок пульта (кликабельно)

В нормальном режиме кнопки 0..9 выбирают режим индикации.

Любая кнопка настройки включает режим установки. При этом подсвечивается изменяемый параметр. Установка значения – кнопки 0…9, переход к другому значению: P+ и P-.

Ну, вроде всё рассказал))) Теперь немного фоток))



Рис. 14. Темы часов

Рис. 15. Вывод картинок

Рис. 16. Режим настроек

 

Рис. 17. Дневной (а) и ночной (б) режимы. Съемка велась при фиксированной выдержке

Кстати, по поводу ночного режима: яркость уменьшается за счет снижения мощности, подводимой к трансформатору (при этом трансформатор по-прежнему работает в мостовом режиме). Из-за понижения напряжения на стрелке, у нас просто начинают тускло светиться светодиоды, и никакого дополнительного ШИМа реализовывать не нужно))) Дешево и сердито!

Ну и напоследок – прототипы. С чего всё начиналось))

 
Рис. 18. Первая конструкция в работе



Рис. 19. Первая конструкция

 Рис. 20. Как вариант корпуса (самодельный, сделан не лазерной резкой)

 И, конечно же, видео: https://www.youtube.com/watch?v=aSexix0_GZM&feature=g-upl


Файлы:
Схемы и печатные платы в формате P-CAD 2002
Исходник и прошивка стрелки
Прошивка неподвижной части
Чертеж корпуса в формате CorelDraw


Все вопросы в Форум.




Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

31 0 0
0 1 1

Эти статьи вам тоже могут пригодиться: