Наверное, у каждого в детстве была мечта (и не одна). Можно попытаться даже вспомнить то чувство, которое переполняет душу ребенка при исполнении его мечты или тот далекий знакомый блеск в глазах… Я же в детстве мечтала иметь свой ночник.
Сейчас я учусь на 4ом курсе БГУИР и когда нам сообщили, что курсовой проект по схемотехнике можно сделать не на бумаге, а на железяке, меня осенило: ночник, который так желался в детстве, можно сделать самой. Причем сделать не просто объект, который будет освещать комнату в темное время суток, а устройство, каким можно будет с легкостью управлять под любое настроение. А почему бы и нет? Я решила добавить возможность менять цвета с помощью рук: чем ближе рука подносится к ночнику, тем ярче горит один из цветов (RGB). А также хотелось бы управлять ночником с помощью пульта ДУ.
Сразу признаюсь, что идею я подсмотрела на сайте cxem.net. Если вкратце, в этом примере использовалась RGB-матрица, которая управлялась с помощью регистров сдвига, и ультразвуковые датчики расстояния. Но я подумала, что матрица светит исключительно в одну сторону, мне же хотелось, чтобы ночник светил по сторонам.
Обоснование элементов схемы
Я обратила свое внимание на микроконтроллеры Arduino. UNO вполне подходящий вариант для моей задумки, во-первых потому что это наиболее популярная платформа и количество пинов не слишком велико, в отличие от Mega, во-вторых к ней можно подключить внешний источник питания, в моем случае он 12В, в отличие от Nano, в третьих… ну думаю можно остановиться на этих двух пунктах. Платформа пользуется огромной популярностью во всем мире благодаря удобству и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду.Более подробную информацию о данной плате можно с легкостью найти на просторах интернета, так что не буду перегружать статью.
Итак, основные требования, предъявляемые системе. Необходимы:
– датчики, которые будут отслеживать расстояние до преграды для управления системой;
– датчик для считывания сигналов с пульта дистанционного управления;
– светодиоды, которые и будут обеспечивать необходимую функциональность освещения;
– управляющий блок, который будет управлять всей системой.
В качестве датчиков расстояния для проекта необходимы дальномеры, каждый из которых будет соответствовать определенному цвету: красный, зеленый, синий. Датчики расстояния будут следить за расстоянием руки до ночника и, чем ближе рука будет подноситься к определенному датчику, тем сильнее будет гореть цвет, соответствующий этому дальномеру. И наоборот, чем дальше рука, тем меньше подается напряжение на цвет, соответствующий датчику.
Наиболее популярные дальномеры на данный момент это Sharp GP2Y0A21YK и HC-SR04. Sharp GP2Y0A21YK — это инфракрасный дальномер. Он оснащен ик-излучателем и ик-приемником: первый служит источником луча, отражение которого ловит второй. При этом ик-лучи датчика для человеческого глаза невидимы и при такой интенсивности безвредны.
По сравнению с ультразвуковыми датчиком HC-SR04, у этого датчика есть и достоинства, и недостатки. К достоинствам можно отнести нейтральность и безвредность. А недостатки — меньший радиус действия и зависимость от внешних помех, в том числе — некоторых типов освещения.
В качестве датчиков расстояния для проекта использованы ультразвуковые дальномеры HC-SR04.Принцип действия HC-SR04 основан на хорошо известном явлении эхолокации. При его использовании излучатель формирует акустический сигнал, который отразившись от преграды, возвращается к датчику и регистрируется приемником. Зная скорость распространения ультразвука в воздухе (примерно 340м/с) и время запаздывания между излученным и принятым сигналом, легко рассчитать расстояние до акустической преграды.
Вход TRIG подключается к любому выводу микроконтроллера. На этот вывод нужно подавать импульсный цифровой сигнал длительностью 10 мкс. По сигналу на входе TRIG датчик посылает пачку ультразвуковых импульсов. После приема отраженного сигнала, датчик формирует на выводе ECHO импульсный сигнал, длительность которого пропорционально расстоянию до преграды.
Ик-датчик. Разумеется, с данного датчика будет считываться и декодироваться сигнал, необходимый для дистанционного управления. TSOP18 отличаются между собой только по частоте. Для проекта выбран датчик VS1838B TSOP1838.В основе проекта лежала идея об освещении помещения любым цветом, это говорит о том, что понадобятся 3 основных цвета из которых будет получено освещение: красный, зеленый, синий. Поэтому была выбрана модель светодиодов SMD 5050RGB, которые отлично справятся с поставленной задачей.
В зависимости от величины напряжения, подаваемого на каждый светодиод, они будут менять интенсивность этого освещения. Светодиод должен быть подключен через резистор, иначе рискуем испортить не только его, но и Arduino. Резистор нужен для того, чтобы ограничить ток на светодиоде до приемлемой величины. Дело в том, что внутреннее сопротивление светодиода очень низкое и, если не использовать резистор, то через светодиод пройдет такой ток, который попросту спалит и светодиод, и контроллер.
Планки со светодиодами, которые используются в проекте, питаются от 12В.В связи с тем, что напряжение на светодиодах в «выключенном» состоянии равно 6В и необходимо регулировать питание, которое превосходит 5В, в схему необходимо добавить транзисторы в ключевом режиме. Мой выбор пал на модель BC547c.
Рассмотрим вкратце, для тех, кто подзабыл, принцип работы n-p-n транзистора. Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько Ом, получится, что напряжение база-эмиттер равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии отсечки. Противоположное состояние называется насыщение: когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.
Эти два состояния – насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. В нашем случае, микросхема, рабочее напряжение которой 5В, включает 3 планки со светодиодами, работающими от 12В.
Рассчитаем режим работы ключевого каскада. Требуется рассчитать величину резистора в цепи базы, чтобы светодиоды горели в полную мощность. Необходимое условие при расчете, чтобы коэффициент усиления по току был больше либо равен частному от деления максимально возможного тока коллектора на минимально возможный ток базы:
Поэтому планки могут быть на рабочее напряжение 220В, а базовая цепь управляться от микросхемы с напряжением 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то светодиоды будут гореть без проблем.
Падение напряжения на переходе база-эмиттер 0,77В при условии, что ток базы 5мА, ток коллектора 0,1А.
Напряжение на базовом резисторе составит:
По Закону Ома:
Из стандартного ряда сопротивлений выбираем резистор 8,2 кОм. На этом расчет закончен.
Хочу обратить ваше внимание на одну проблему, с которой я столкнулась. При использовании библиотеки IRremote Arduino зависал при регулировании синего цвета. После долгого и тщательного поиска в интернете оказалось, что данная библиотека использует по умолчанию таймер 2 для этой модели Arduino. Таймеры используются для управление выходами ШИМ.
Tаймер 0 (Системное время, ШИМ 5 and 6);
Tаймер 1 (ШИМ 9 и 10);
Tаймер 2 (ШИМ 3 и 11).
Первоначально у меня был использован ШИМ 11 для регулирования синего цвета. Поэтому будьте внимательны при работе с ШИМ, таймерами и сторонними библиотеками, которые могут их использовать. Странно, что на главной странице на гитхабе об этом нюансе не было ничего сказано. При желании вы можете раскомментировать строчку с таймером 1 и закомментировать 2.
Подключение элементов на макетной плате выглядит следующим образом:
После тестирования на макетке начались фазы «Размещение элементов на плате» и «Работа с паяльником». После первого тестирования готовой платы в голову закрадывается мысль: что-то пошло не так. И тут начинается знакомая многим фаза «Кропотливая работа с тестером». Однако неполадки (случайно спаялись несколько соседних контактов) были быстро устранены и вот он долгожданный озорной огонек светодиодов.
Далее дело стояло только за корпусом. По этому поводу были выпилены фанерки с отверстиями для наших датчиков. Задняя крышка делалась специально съемной, чтобы можно было насладиться видом изнутри и, при желании, что-то доделать или переделать. Также в ней имеются 2 отверстия для перепрограммирования платы и питания.
Корпус клеился на двухкомпонентном эпоксидном клее. Стоит отметить особенность данного клея, для тех, кто с ним раньше не встречался. Данный товарищ поставляется в двух отдельных емкостях, при смешивании содержимого которых происходит моментальная химическая реакция. После смешивания действовать приходится быстро, в пределах 3–4 минут. Для дальнейшего использования нужно смешать новую порцию. Так что если пытаетесь это повторить, мой вам совет, смешивать маленькими порциями и действовать весьма быстро, время на подумать будет не так уж и много. Поэтому стоит заранее продумать, как и где склеить корпус. Причем за один присест это сделать не получится.
Для крепления планок со светодиодами в верхнюю крышку была вставлена трубка через которую прекрасно прошли все провода.
Когда возник вопрос с абажуром, я вспомнила как в детстве делала поделки из простой нитки, клея и воздушного шарика, который служил основой. Принцип для абажура взят тот же, однако обматывать многогранник оказалось сложнее, чем шарик. За счет давления, оказываемого нитками на конструкцию, кверху она начала сужаться и нитки стали опадать. Экстренно, с руками в клею, было принято решение укрепить конструкцию сверху. И тут пришел на помощь компакт диск. В итоге получился вот такой ночник:
Что хочется сказать в итоге
Чтобы я изменила в проекте? Для подачи сигнала TRIG датчиков расстояния можно было бы использовать один выход Arduino вместо трех. Так же я бы предусмотрела отверстие для ик-датчика (о котором я забыла), который пока, увы, спрятан в корпусе из которого он, естественно, не может считывать сигналы с пульта. Однако, кто сказал, что нельзя ничего перепаивать и сверлить?
Хочется отметить, что это был интересный семестр, и отличная возможность попробовать сделать что-то не на бумаге, благодаря чему я могу поставить еще одну галочку около пункта «детская мечта». И если вам кажется, что пробовать что-то новое сложно, и вы не знаете за что первым делом взяться, не стоит переживать. У многих в голове пролетает мысль: с чего бы тут начать и как это вообще можно сделать? В жизни много возникает задач от которых можно растеряться, но стоит только попробовать как вы заметите, что с огоньком в глазах вы можете свернуть горы, пусть даже для этого придется немножко постараться.
Ссылка на исходный код.
Автор статьи: Анастасия Ковш
Комментарии (36)
wormball
29.12.2015 00:37+1Подозрительно много БГУИРа в последнее время. Наверное, они что-то замышляют.
dkukushkin
29.12.2015 01:25Рекомендую собрать на УФ-светодиодах. Я недавно сделал фонарь из 16 УФ-светодиодов. Сами светодиоды светят как бы синим, а вот свет от предметов отражается удивительно разных оттенков. Алгоритм пока не выявил.
Ну деньги то понятно, на них метки светятся. Побелка светится фиолетовым, причем очень очень красивым как фиалка (даже ближе к сиреневому). Вот такой отраженный от стены свет для ночника в самый раз. Потолок из обоев под покраску (белый) светит зеленовато-белым, а вот белый потолочный плинтус — сиреневым.
Некоторые вещи прямо люменисцируют. Когда направил на USB-разьем (синий) от диска — он загорелся как лампочка и начал светить зеленым.
Ходил с этим фонарем и с открытым ртом проверял что как люминесцирует.
Не знаю вредно ли для глаз, но отраженный от побелки скорее всего уже содержит мало УФ.
Roman1977
29.12.2015 08:20+1Статья понравилась. Обратил внимание на несколько моментов. Например, «яркость свечения светодиодов зависит от напряжения». Не претендую на звание гуру. Сам обжёгся на RGB светодиоде, занимаясь с сыном. Три потенциометра. Думал, сможем устанавливать любой цвет. Не получилось. У кристаллов, видимо, порог. В общем они либо горят, либо нет. Думаю, правильнее говорить о ШИМ регулировании.
ne4ta
29.12.2015 08:37-1Это странно, мы даже проверяли достаточно ли низкое напряжение, чтобы не горели светодиоды при разности потенциалов (11-5=6)В. Наш блок питания почему-то выдает 11В вместо 12. Синий и зеленый не горели, а вот красный горел очень тускло. В итоге мы добавили транзисторы в ключевом режиме. А цвета действительно можно установить разным напряжением.
Roman1977
29.12.2015 08:53+2Посмотрел код. Там везде значения на выходных ПИНах задаётся командами analogWrite. Всё же это ШИМ регулирование. Яркость свечения определяется длительностями присутствия сигнала на ноге и паузы между сигналами. Конечно, для статьи это не принципиально.
MrYuran
29.12.2015 11:21Светодиоды управляются не напряжением, а током. То есть надо не напряжение подавать потенциометром, а ток реостатом (то есть сопротивление последовательно со светодиодом).
VaskivskyiYe
29.12.2015 11:45Поддерживаю тезис касательно реостата (переменного сопротивления), однако ШИМ всё же удобнее в использовании, когда речь идёт об электронном управлении яркостью (несколько строк кода всего лишь добавить). К тому же, потенциометр и реостат — один элемент, по разному подключённый (3 ноги для потенциометра и переменного напряжения и 2 ноги для реостата и переменного сопротивления)
Roman1977
30.12.2015 03:59Уважаемые, просветите! Возможно, я ошибаюсь в формулировках, называя потенциометром реостат? Подстроечное многооборотное сопротивление. Синенькое такое, трёхногое. Центральную ногу соединял с одной из крайних. Измерял омметром. Сопротивление менялось от почти нуля до нескольких десятков кило ом. Подключал последовательно, на каждый кристалл светодиода. И не работало.
VaskivskyiYe
30.12.2015 13:33Да, переменное сопротивление. Тогда мы говорим о реостате. Причина, почему у вас не получилось с плавным изменением яркости:
У реостата (потенциометра) сопротивление в 5+ kOhm. Естественно, что при подключении светодиода последовательно с таким сопротивлением, он просто не будет светиться. Если предположить, что ручка реостата поворачивается на 270 градусов, а сопротивление в этих пределах меняется от 10 kOhm до 10 Ohm, то 5 градусов (оптимистичный прогноз, если не использовать ничего для получения выиграша по силе/проиграша по перемещению — то есть рычага длинного, который мы сможем повернуть на меньший угол) соответствует изменению сопротивления на 185 Ohm, что для светодиода опять же очень много. Вот и получается, что он у вас включается на пороге и всё.
Как решить:
Предположим, есть светодиод, который работает в диапазоне 150 — 470 Ohm. Меньше — сгорит, больше — не включится вообще. Так же есть реостат с сопротивлением 10 kOhm. Подключаем наш реостат параллельно с резистором на 330 Ohm. При 10 kOhm на реостате получаем 319 Ohm. При 5 kOhm -> 309 Ohm, при 1 kOhm -> 248 Ohm и дальше аналогично. При 10 Ohm -> 9.7 Ohm, а при 0 Ohm, очевидно, будет 0 Ohm. Дальше добавляем последовательно резистор на 150 Ohm.
_________ <------|_________|-------- \________-------------_____ _________ / ------------- / ---|_________|--------/ | <-----------|
Получается, что наш диапазон регулировки смещается с 0 — 319 Ohm на 150 — 469 Ohm. Вот мы и попали в нужный диапазон. При повороте на 10 градусов, аналогично описанию в 1 параграфе, у нас получится менять сопротивление так (в скобках — поворот, 270 градусов — 10 kOhm, 0 градусов — 10 Ohm):
469.46 (270) -> 469.07 (260) -> 468.64 (250) ->… -> 465.22 (190) ->… -> 460.27 (150) ->… -> 455.3 (110) ->… -> 450.33 (90) ->… -> 430.27 (50) -> 420.16 (40) -> 404.90 (30) -> 379.17 (20) -> 326.61 (10) -> 159.71 (0).
Ну, принцип, я думаю, понятен. Естественно, значения для светодиода взяты случайные, в реальности берём правильные и подбираем реостат и сопротивления под конкретный случайRoman1977
30.12.2015 15:0468 килоом. Многооборотный, с червячным редуктором. Запитывали от 5 вольтового БП. Расчёт был, что сопротивление не уменьшится до нуля. Но таки да. Сын на новый год заказал Дедушке Морозу электронный конструктор Знаток 999 схем. Сегодня листал прилагающуюся книжку. Так сказать надо быть готовым ответить на вопросы сына. И там тоже есть схемы регулировки яркости свечения светодиода с помощью потенциометров. Конкретно задумывался. Вот решил для себя, что такое канает только с лампами накаливания. В общем лёгкий когнитивный диссонанс. :(
MrYuran
03.01.2016 17:31I=U/R (так называемый закон Ома).
Для светодиода нужно несколько мА, для яркого — несколько десятков. Плюс, вернее минус, падение на самом диоде 2-3В, в зависимости от.
Итого, при питании от 5В резистор должен быть не более 500 Ом. (ну, плюс/минус). Но уж никак не килоомы и тем более десятки.
Alexeyslav
29.12.2015 22:37У них довольно крутая ВАХ, в результате основное изменение яркости происходит на небольшом участке положения потенциометра(с многооборотистым может чего и вышло бы). К тому же у разных цветов разное напряжение перелома ВАХ. Если использовать не потенциометры а реостатное включение то регулирование было бы более плавным, но все равно не очень линейное.
А вот если управлять диодами источниками тока управляемыми потенциометрами — только тогда и увидите линейность регулирования яркости поскольку напряжение на активном участке ВАХ будет меняться немного а вот ток в основном и будет линейно задавать мощность излучения.
VaskivskyiYe
29.12.2015 12:02Честно говоря, я лично предпочёл бы инфракрасные дальномеры. Что-то ультразвук не внушает мне доверия в плане (без)вредности. А так — греет и греет — и ладно. Конечно, точность может быть не так высока в связи с внешними помехами, однако можно примерно оценить и проверить всё при стандартных ситуациях использования и сделать поправки в программе для погрешностей
ne4ta
29.12.2015 15:20Ну, Мария Кюри вообще ночник из радия себе сделала.
VaskivskyiYe
30.12.2015 11:17Правильно будет: «Мария Склодовская-Кюри сама превратилась в ночник благодаря радию и полонию»
Yurich
29.12.2015 16:48Поэтому стоит заранее продумать, как и где склеить корпус. Причем за один присест это сделать не получится.
Простите, но зачем было клеить корпус?
Шканты и мебельные эксцентриковые стяжки позволяют получить результат более предсказуемый. Там всего и надо-то оснастку для дрели, обычное сверло для шкантов и штока и сверло Форстнера для эксцентрика.
Одну сторону можно было на магниты присобачить для легкого доступа.
Но это так, с точки зрения столярно-плотницкой. А проект клевый.ne4ta
29.12.2015 17:43Обязательно возьмем на заметку. В такой реализации разобрать его будет куда проще. Может ещё подскажете как бы вы делали абажур?
Yurich
30.12.2015 09:44Я бы его вообще не так, как Вы делал.
Я бы купил бутылку с бугельной пробкой
Затем удалил бы у нее дно вот таким способом
Пользуясь тем, что у меня все есть я бы потом на свежем воздухе обработал скол болгаркой с алмазным диском — чисто убрать неровности и острые края, но это необязательно.
Затем (не забыв временно снять металлические детали с горла бутылки) при помощи вот этой жижи матировал бы бутылку, т.к. свет у ночника лучше иметь рассеянный.
Потом в верхней крышке ящика с электроникой вот такой коронкой прорезал бы отверстие, диаметром несколько меньше диаметра бутылки — чтоб бутылка на крышке спокойно стояла, но через отверстие можно было бы выпустить стойку с обрезками лед-ленты
Затем приклеил бы бутылку к крышке вашим любимым двухкомпонентным эпоксидным клеем, причем толстым слоем, чтоб залить всю крышку, а не только место склеивания. Скорее всего, я бы в него намутил немного черной пасты из авторучки, т.к. деревянная фактура там даром не нужна.
Не забыл бы вернуть пробку и металлические детали от нее на место.
Сам ящик можно декорировать брашированной деревянной планкой — чтоб на выходе получилось примерно вот так, но с одной бутылкой.
Все ссылки даны чисто для примера, вариантов, какую коронку купить, какую жидкость для травления стекла использовать и т.п. — выше крыши.Roman1977
30.12.2015 12:14Но ведь это уже дизайн, что очень индивидуально. Мне вот очень нравятся хрустальные плафоны от точечных светильников компании Гаусс. Их галогенку бы выкинул, а вместо неё воткнул бы несколько RGB светодиодов. Резной хрусталь обалденно играет светом на гранях. С дальномерами вообще бы заморачиваться не стал. К тому же, в связи с курсом доллара, нынче они очень недёшевы. Зато хотел бы прикрутить реалтайм часы. С ИК пульта задавать несколько программ освещения на сутки. От «выключено» днём, до пульсирующего красного «Чувак, да ты совсем обалдел, три часа ночи, отрывай попу от стула и ложись спать! Завтра на работу».
Yurich
30.12.2015 12:37Тут следует понимать две вещи:
1. Меня попросили рассказать, как я сделал бы абажур. Я ответил.
2. Выкинуть дальномеры — идея прекрасная с учетом того, что девушка именно ради них и затевала проект.
Roman1977
30.12.2015 12:53Ни в коей мере не осуждаю!!! И я просто рассказал, как реализовал бы именно я. Какие возможности бы заложил. А девушке респект в квадрате. Девушка — радиоэлектронщица — мечта всей моей жизни! :)
AlexanderS
Для четвёртого курса нормально. Конечно, неплохо было бы чтобы сама автор на гиктайме присутствовала. А то у нас тут девушек-то немного))
А как насчёт домашних животных? От HC-SR04 им плоховато не становится?
Я просто с год назад робота делал. Собаки после его включения на улице вели себя не очень адекватно. Ну и я сделал вывод, что для дома, наверное, не очень хорошо их использовать, если питомцы есть какие-то. Но детально вопрос вообщем-то не исследовал.
ne4ta
К сожалению, ну, или в данном случае, к счастью, домашнего животного у нас нет. Мы обязательно изучим этот вопрос.
Мы только заметили, что при работе устройства на видеозаписи сильные звуковые помехи, если снимать близко к нему.
AlexanderS
Возможно, микрофон записывающего устройства имеет такой широкий диапазон входных частот, что «насобирал» наводки с УЗ. А может китайский модуль фонит выше 20кГц настолько, что мы его уже не слышим, а на микрофон что-то попадает.
Само по себе интересно, конечно.
А на что снимали? Смартфон?
ne4ta
На беззеркалку самсунговскую. Раньше такого за ней не замечали.
sav13
Пробовал коту подключить ультразвуковой датчик SR04. Он отлично его слышит, постоянно оборачивается на него с любопытством. Никаких отрицательных последствий воздействия не замечено
spc
Если честно, я бы и себе не стал с УЗ ночник делать. Не потому, что боюсь УЗ или что-то в этом роде, а потому что (парадокс) HC-SR04 начинают противно пищать, когда «видят» препятствие. Это не УЗ, это какой-то другой эффект.
ne4ta
Ни разу не замечали такого эффекта. У нас он работает стабильно бесшумно.
AlexanderS
Я тоже вроде ничего такого не слышал, хотя зачастую ардуину программил по ночам, т.е. когда действительно тихо)
FSFox
А это зависит от конкретного человека.
Я вот отчетливо слышу импульсы этих сонаров где-то уже с 50 см, а ночью в тишине возможно и больше.
Когда-то давно тестили генератор звуковых частот и 22кгц еще было слышно, но не всем.