Имеется большое количество различных схемных решений, однако в нашем случае мы разберем несколько вариантов ШИМ регулятор яркости светодиода () на PIC-микроконтроллере.

PIC10F320/322 это безупречный вариант для конструирования различных регуляторов освещения. При этом мы обретаем достаточно конструктивно навороченный прибор с наименьшей стоимостью и незначительными затратами времени на построение. Рассмотрим несколько вариантов диммера.

Первый вариант. Базовый регулятор яркости светодиода в котором изменение яркости свечения светодиодов осуществляется путем вращения ручки переменного , при этом яркость изменяется от 0 до 100%

Яркость свечения светодиодов устанавливается потенциалом сниманием с переменного резистора R1. Это изменяемое напряжение идет на ввод RA0, функционирующий как аналоговый ввод и подсоединенный к входу AN2 АЦП микроконтроллера. Вывод ШИМ RA1 контролирует силовой ключ на транзисторе V1.

Силовой транзистор возможно выбрать произвольный с логическим уровнем управления, то есть это те транзисторы, которые при получении 1…2 вольта на затвор целиком открывают свой канал.

К примеру транзистором IRF7805 возможно управлять током до 13 ампер соблюдая необходимые требования, а при любых других условиях до 5 ампер гарантировано. Разъем CON1 необходим, лишь для внутрисхемного программирования микроконтроллера, для этой же цели необходимы и сопротивления R2 и R5, то есть если микроконтроллер запрограммирован, то все эти радиоэлементы возможно не ставить.

Сопротивление R4 и BAV70 служат для защиты от перенапряжения и неправильного включения источника питания. Емкости C1 и C2 керамические и служат для снижения импульсных помех, и для надежности функционирования стабилизатора LM75L05.

Второй вариант. Здесь управление яркостью светодиодов так же осуществляется переменным резистором, а включение и выключение выполняется кнопками.

Третий вариант. Как видно в схеме отсутствует переменный резистор. В данном варианте управление яркостью свечения светодиодов выполняется исключительно двумя кнопками. Регулировка ступенчатая, изменение яркости происходит с каждым последующим нажатием.

Четвертый вариант. По сути такой же, как и третий вариант, но при удержании нажатой кнопки происходит плавное изменение свечения светодиодов.

Вашему вниманию представлена схема, позволяющая регулировать яркость светодиодной ленты при помощи Ш иротно-И мпульсной М одуляции (ШИМ, англ. PWM). Данная методика широко используется в мощных контроллерах, так как, в отличие от регулировки напряжения, не вызывает перекоса яркости у отдельных сегментов и гораздо более экономична.

Особенности:

• 2 независимых канала ШИМ (с разнесением фаз на 180°);
• Напряжение питания: 8 - 20 V;
• Рабочий ток нагрузки: 3.4 A/канал (при питании 12 V эквивалентно 40 W);
• Низкие потери в силовом ключе (сопротивление открытого канала 45 mΩ);
• Опциональная Гамма-коррекция позволяет равномерно регулировать яркость;
• Защита от всплесков на входе (аналоговая и программная фильтрация);
• Собственное энергопотребление менее 10 mA (0.12 W @ 12 V);
• Высокая частота ШИМ (~18.75 kHz) не вызывает стробоскопического эффекта и усталости глаз при управлении светодиодной лентой.

Устройство основано на микроконтроллере ATtiny13A, который анализирует входные напряжения на выводах PB3 и PB4, пересчитывает их и выводит ШИМ-сигналы с соответствующим заполнением на выводы PB0 и PB1. Эти сигналы поступают на полевые транзисторы T1 и T2, которые в свою очередь коммутируют мощные нагрузки (в данном примере - светодиодную ленту).

Перемычка J1 задаёт режим работы устройства: когда она установлена в нижнее (по схеме) положение, заполнение ШИМа линейно зависит от напряжения на соответствующем входе. Когда перемычка установлена в верхнее положение микроконтроллер пересчитывает значение требуемого заполнения ШИМ при помощи таблицы значений. В результате получается гамма-кривая, т. е. уровень яркости подстроен под чувствительность человеческого глаза. График зависимости выходного заполнения от входного напряжения приведён ниже:

Зелёный график - перемычка J1 в нижнем положении, синий - в верхнем

Особенности ШИМ-генератора

В отличие от "классического" Fast PWM в данной схеме используется Phase-correct PWM со сдвигом каналов на 180 градусов друг относительно друга. Ниже показано, как работают оба алгоритма.

Компоненты

Схема не требовательна к точному подбору компонентов, большинство деталей можно заменять на аналогичные похожего номинала. Например если у Вас нет переменных резисторов на 100 кОм, то можно поставить 50 кОм или 500 кОм, при этом схема будет продолжать исправно работать. В качестве T1 и T2 можно установить почти любой транзистор серии IRLML (учитывая коммутируемый ток)
Если Вам не нужен второй канал, то можно убрать R2, R4, C2 и T2, а вывод PB4 микроконтроллера заземлить (PB1 при этом оставить неподключенным)

Для индикации использованы 3 светодиода (3мм зелёного свечения) с резисторами 1 кОм, подключенные анодами ко входу питания 12V, а катодами к стокам транзисторов и к минусу питания. Дополнительно, параллельно керамическому конденсатору С3 подключен электролитический конденсатор 100µF, помогающий сгладить пульсации сети. Его установка не обязательна, но желательна.

Конфигурация фьюзов показана ниже:

На скриншоте галочка означает 0 - запрограммированный фьюз. Для Вашего удобства фьюзы описаны в комментариях в файле main.asm.

Настройка сводится к установке перемычки J1 в желаемое положение. После этого устройство готово к работе.

В заключение пара фото (ручки на переменных резисторах ещё не одеты):

Список радиоэлементов

Регулировка оборотов электродвигателей в современной электронной технике достигается не изменением питающего напряжения, как это делалось раньше, а подачей на электромотор импульсов тока, разной длительности. Для этих целей и служат, ставшие в последнее время очень популярными - ШИМ (широтно-импульсно модулируемые ) регуляторы. Схема универсальная - она же и регулятор оборотов мотора, и яркости ламп, и силы тока в зарядном устройстве.

Схема ШИМ регулятора

Указанная схема отлично работает, прилагается.

Без переделки схемы напряжение можно поднимать до 16 вольт. Транзистор ставить в зависимости от мощности нагрузки.

Можно собрать ШИМ регулятор и по такой электрической схеме, с обычным биполярным транзистором:

А при необходимости, вместо составного транзистора КТ827 поставить полевой IRFZ44N, с резистором R1 - 47к. Полевик без радиатора, при нагрузке до 7 ампер, не греется.

Работа ШИМ регулятора

Таймер на микросхеме NE555 следит за напряжением на конденсаторе С1, которое снимает с вывода THR. Как только оно достигнет максимума - открывается внутренний транзистор. Который замыкает вывод DIS на землю. При этом на выходе OUT появляется логический ноль. Конденсатор начинает разряжаться через DIS и когда напряжение на нем станет равно нулю - система перекинется в противоположное состояние — на выходе 1, транзистор закрыт. Конденсатор начинает снова заряжаться и все повторяется вновь.

Заряд конденсатора С1 идет по пути: «R2->верхнее плечо R1 ->D2«, а разряд по пути: D1 -> нижнее плечо R1 -> DIS. Когда вращаем переменный резистор R1, у нас меняются соотношения сопротивлений верхнего и нижнего плеча. Что, соответственно, меняет отношение длины импульса к паузе. Частота задается в основном конденсатором С1 и еще немного зависит от величины сопротивления R1. Меняя отношение сопротивлений заряда/разряда - меняем скважность. Резистор R3 обеспечивает подтяжку выхода к высокому уровню — так так там выход с открытым коллектором. Который не способен самостоятельно выставить высокий уровень.

Диоды можно ставить любые, конденсаторы примерно такого номинала, как на схеме. Отклонения в пределах одного порядка не влияют существенно на работу устройства. На 4.7 нанофарадах, поставленных в С1, например, частота снижается до 18кГц, но ее почти не слышно.

Если после сборки схемы греется ключевой управляющий транзистор, то скорее всего он полностью не открывается. То есть на транзисторе большое падение напряжения (он частично открыт) и через него течет ток. В результате рассеивается большая мощность, на нагрев. Желательно схему параллелить по выходу конденсаторами большой емкости, иначе будет петь и плохо регулировать. Чтобы не свистел - подбирайте С1, свист часто идет от него. В общем область применения очень широкая, особенно перспективным будет её использование в качестве регулятора яркости мощных светодиодных ламп, LED лент и прожекторов, но про это в следующий раз. Статья написана при поддержке ear, ur5rnp, stalker68.

Рис.1 Принципиальная схема регулятора мощности

На рис.1 приведена схема простого регулятора мощности на микроконтроллере ATtiny2313(V). Регулятор предназначен для работы с активной нагрузкой, подключаемой к сети напряжением 220 В. Напряжение подается на вход X1, нагрузка подсоединяется к выходу X2. Источником тактовой частоты DD1 выбран внутренний генератор сторожевого таймера, работающий на частоте ≈128 кГц. Благодаря этому энергопотребление устройства очень мало. Общий ток не превышает 15 мА, что легко позволяет реализовать также бестрансформаторное питание.

Регулирование мощности нагрузки производится изменением коэффициента заполнения импульсов на ШИМ-выводе OC0B DD1. Импульсы поступают на сток транзистор VT1. Он включен в диагональ моста VD5…VD8 и может работать без радиатора с токоприемниками до 400 Вт. Из-за слишком высокого уровня помех генерируемых в сеть, ШИМ-модуляция не является самым лучшим способ управления потребителями большей мощности.

Для формирования ШИМ-импульсов на выводе OC0B таймер-счетчик 0 функционирует в режиме Fast PWM (быстрый ШИМ). Частота импульсов FOC0B выбрана постоянной. Она зависит от модуля счета, определяемого содержимым регистра OCR0A:

F OC0B = F clk /(OCR0A*N),

где F clk – частота тактового генератора, N-коэффициент деления предделителя частоты таймера-счетчика 2.

Коэффициент заполнения импульсов αOC0B, а значит и мощность, отдаваемая в нагрузку, будет пропорционален содержимому регистра совпадения OCR0B:

α OC0B = OCR0B/OCR0A.

В данном примере в настройках микроконтроллера выбраны N=1 (предделитель отключен), OCR0A=100, т.е. FOC0B = 1280 Гц и α OC0B = OCR0B/100. Изменяя программно значения OCR0B от 0 до 100, получим диапазон регулировки мощности 0…100%.

Значение мощности нагрузки постоянно отображается 3-разрядном индикаторе с общим анодом HG1. Циклическая смена символов, а также опрос кнопок SB1…SB3, происходят во время прерывания по совпадению регистра OCR1AH:OCR1AL и счетного регистра таймера-счетчика 1. Таймер-счетчик 1 при этом работает в режиме CTC (сброс при совпадении). Частота F OCR1A с которой происходят прерывания:

F OCR1A = F clk /((OCR1AH:OCR1AL+1)*N),

где N-коэффициент деления предделителя частоты таймера-счетчика 1.

В программе F OCR1A = 200 Гц (N=1, OCR1AH:OCR1AL=639). Таким образом, смена каждого из трех символов и опрос кнопок происходят каждые 20 мс (т.е. с частотой 200/4=50 Гц).

Рис.2 Алгоритм работы регулятора мощности

Алгоритм работы регулятора мощности приведен на рис.2. В основном цикле программа реагирует на нажатие кнопок и производит двоично-десятичное преобразование величины мощности нагрузки в 3-разрядное число (0…100) для вывода на индикатор.

Каждое нажатие SB1 заставляет изменить состояние выхода на противоположное: нагрузка подключается с указанной мощностью, либо обесточивается. Признаком активизированного выхода является светящаяся десятичная точка в младшем разряде индикатора. Кнопки SB2 и SB3, соответственно, уменьшают и увеличивают мощность в нагрузке. При длительном нажатии модификация параметра происходят быстрее (≈10% в секунду). Если ни одна кнопка не нажата, то через 5 с после последнего изменения, значение мощности и состояния выхода (вкл./выкл.) сохраняются в EEPROM-памяти. Для защиты от зависания включен сторожевой таймер с периодом сброса 125 мс.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Регулировать напряжение питания мощных потребителей удобно с помощью регуляторов с широтно-импульсной модуляцией. Преимущество таких регуляторов заключается в том, что выходной транзистор работает в ключевом режиме, а, значит, имеет два состояния - открытое или закрытое. Известно, что наибольший нагрев транзистора происходит в полуоткрытом состоянии, что приводит к необходимости устанавливать его на радиатор большой площади и спасать его от перегрева. Кроме того, имеется возможность значительно снизить потребляемую мощность и, таким образом, удешевить эксплуатацию устройства.

1. Цель работы

Цель работы: Представить проект устройства управления электрическими приборами, которое позволит значительно снизить потребляемую мощность и, таким образом, удешевить их эксплуатацию.

2. Основная часть

Широтно-импульсная модуляция.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. pulse-width modulation (PWM)) -- управление средним значением напряжения на нагрузке путём изменения скважности импульсов, управляющих ключом. Различают аналоговую ШИМ и цифровую ШИМ, двоичную (двухуровневую) ШИМ и троичную (трёхуровневую) ШИМ.

Рисунок 1 - График ШИМ

Аналоговая ШИМ реализуется с помощью компаратора, на один вход которого подаются треугольный или пилообразный периодический сигнал со вспомогательного генератора, а на другой -- модулирующий сигнал. На выходе компаратора образуются периодические прямоугольные импульсы с переменной шириной, скважность которых изменяется по закону модулирующего сигнала, а частота равна частоте треугольного или пилообразного сигнала и обычно постоянна. Аналоговая ШИМ применяется в усилителях низкой частоты класса «D».

В цифровой ШИМ период делится на части, которые заполняются прямоугольными подимпульсами. Средняя величина за период зависит от количества прямоугольных подимпульсов. Цифровая ШИМ -- приближение бинарного сигнала (с двумя уровнями -- вкл/выкл) к многоуровневому или непрерывному сигналу так, чтобы их средние значения за период времени t2-t1 были бы приблизительно равны.

Формально, это можно записать так:

где x(t) -- входной сигнал в пределах от t1 до t2,

а?Ti = -- продолжительность i -го ШИМ подимпульса, каждого с амплитудой A. n выбирается таким образом, чтобы за период разность суммарных площадей (энергий) обеих величин была меньше допустимой:

Управляемыми «уровнями», как правило, являются параметры питания силовой установки, например, напряжение импульсных преобразователей /регуляторов постоянного напряжения/ или скорость электродвигателя. Для импульсных источников x(t) = Uconst стабилизации.

Основное достоинство ШИП (ШИМ) -- высокий КПД его усилителей мощности, который достигается за счёт использования их исключительно в ключевом режиме. Это значительно уменьшает выделение тепловой мощности на силовом преобразователе (СП).

В ШИМ в качестве ключевых элементов использует транзисторы (могут быть применены и др. полупроводниковые приборы) не в линейном, а в ключевом режиме, то есть транзистор всё время или разомкнут (выключен), или замкнут (находится в состоянии насыщения). В первом случае транзистор имеет почти бесконечное сопротивление, поэтому ток в цепи весьма мал, и, хотя всё напряжение питания падает на транзисторе, выделяемая на транзисторе мощность практически равна нулю. Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю -- выделяемая мощность также мала. В переходных состояниях (переход ключа из проводящего состояния в непроводящее и обратно) мощность, выделяемая в ключе значительна, но так как длительность переходных состояний крайне мала, по отношению к периоду модуляции, то средняя мощность потерь на переключение оказывается незначительной.

Описание устройства управления.

В качестве аппаратной части проекта ШИМ- регулятора представлено устройство, собранное на основе тест- платы LegoAVR20 с МК ATtiny2313, используемое совместно с адаптером внутрисхемного программатора PonyProg, для управления какой-либо нагрузкой, в частности приведен пример управления яркостью светодиода (5-ти ступенчатая регулировка) с помощью двух тактовых кнопок (+/-) и регулировка скоростью вращения двигателя постоянного тока.

Для сборки ШИМ применяется:

1) Тест- плата LegoAVR20 c микроконтроллером ATtiny2313, на которой формируются рабочие напряжения питания, с кварцевым генератором 4 МГц., с индикацией и разъемами портов B и D.

2) Внутрисхемный программатор PonyProg

3) Плата расширения №1 с 2 кнопками (на замыкание) и подтягивающими резисторами 4К7, подключаемыми ко входу МК (ножки 6 и 7), а также со светодиодом и гасящим резистором и двигателем постоянного тока, управляемым биполярным транзистором через интегрирующую цепочку;

4) Стабилизированный источник питания для тест- платы на 12В.

Рисунок 2 - Принципиальная схема устройства

микроконтроллер импульсный модуляция

Это устройство может изменять скважность импульсов с помощью двух тактовых кнопок S3(+) и S4(-), соответственно будет изменяться яркость светодиода.

Описание исходного кода программы управления микроконтроллером.

Исходный код программы написан в среде CodeVisionAvr и представлен в конце статьи.

Небольшие комментарии к исходному коду:

В этой части кода мы прописываем обработчик внешнего прерывания(INT0/INT1).

interrupt void ext_int0_isr(void)

interrupt void ext_int1_isr(void)

Настраиваем порты микроконтроллера, устанавливаем условие глобальных прерываний от INT0 и INT1, разрешаем глобальные прерывания.

MCUCR |= (0<

GICR |= (1<

MCUCR |= (0<

GICR |= (1<

PORTB=0x00;//Все пины порта В в 0

DDRB=0xFF; //Все пины Порта B на выход

PORTA.0=0x00;//пин порта A в 0

DDRA.0=0xFF; //пин Порта A на выход

PORTC=0x00;//Все пины порта С в 0

DDRC=0xFF; //Все пины Порта B на выход

PORTD.0=0x00; //Все пины порта D в 0

DDRD.0=0xFF; //Все пины Порта D на выход

TCCR0=0x6B;//start timer

OCR0=0x00;// задаем величину генерируемого ШИМ сигнала

#asm("sei")//разрешаем глобальные прерывания

Цикл, Оператор выбора из множества вариантов, регистром OCR0 настраивается скважность импульса (1-255).

Без изменения прошивки к микроконтроллеру можно подключить любой 7-ми сегментный индикатор с общим катодом, который будет отображать номер режима работы ШИМ-регулятора (от 1 до 5). Катод индикатора подключается на 39 ножку МК, а анод через токоограничительные резисторы (100-250 Ом) на 21-27 ножки МК.

Фьюзы для прошивки выставлять не надо. Оставляем их стандартными.

Заключение

Это устройство имеет широкое применение. Например его можно использовать для управления яркостью светодиодов, управлять оборотами вентилятора, применить для регулировки оборотов двигателя сверлильного станочка и т.п.

Более мощную нагрузку (вентилятор, большое кол-во светодиодов) необходимо подключать через транзистор.

В проекте использована схема с МК ATtiny2313. Можно использовать и другие микроконтроллеры серии AVR. Например, AVR ATmega16 имеет аппаратную возможность формировать 4 ШИМ сигнала на ножках OC0 OC1A OC1B OC2 (аппаратную - значит не загружая процессор вычислениями), AVR ATmega48 -88 -168 имеют 6 аппаратных PWM с частотой до 78 КГц, AVR ATmega128 имеет 6 аппаратных PWM с разрешением до 16 бит! Если вам этого мало, то с помощью таймеров МК можно программно сформировать еще множество ШИМ-сигналов.

Список использованных источников

1. Баранов В.Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы. / В.Н. Баранов. ? М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2004. ? 228с.

2. Белов А.В. Создаем устройства на микроконтроллерах. / А.В. Белов. ? СПб.: Наука и техника, 2007. ? 304с.

3. Вольфганг Трамперт. AVR-RISC микроконтроллеры. / Вольфганг Трамперт; пер. с немецкого В.П. Репало. ? К.: Изд. «МК-Пресс», 2006. ? 458с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Понятие, классификация и применения широтно-импульсной модуляции. Выбор элементной базы: назначение и режим работы микросхемы КР580ВИ53, К155АП5 и К155АГ3. Разработка электрической схемы ШИМ–регулятора и программы для управления через LPT порт ЭВМ.

курсовая работа , добавлен 14.11.2010


Составление функциональной схемы стабилизатора напряжения, принципиальной электрической схемы. Принцип работы силовой части. Специфика разработки системы управления стабилизатором напряжения, управляемым по принципу широтно-импульсного моделирования.

курсовая работа , добавлен 11.10.2009


Изучение сущности широтно-импульсной модуляции - изменения ширины (длительности) импульсов, следующих друг за другом с постоянной частотой. Разработка широтно-импульсного модулятора. Расчет генератора линейно изменяющегося напряжения. Выбор компаратора.

курсовая работа , добавлен 23.12.2010


Характеристика управления подводного аппарата по разомкнутому контуру, путём подачи на двигатель постоянного напряжения. Статическая характеристика двигателя. Методы построения регулятора высоты подводного аппарата. Изучение релейной схемы управления.

контрольная работа , добавлен 02.12.2010


Разработка структурной схемы регулятора напряжения для бортовой сети автомобиля. Расчет генератора прямоугольных импульсов, компаратора напряжения, датчика температуры, выходного каскада. Технологический маршрут изготовления монокристального регулятора.

дипломная работа , добавлен 29.09.2010


Управление работой устройства микроконтроллером PIC18F2550. Обмен информацией между микроконтроллером и часами. Передача данных на алфавитно-цифровой LED-индикатор. Меню изменения даты и времени. Схема устройства принципиальная. Листинг текста программы.

курсовая работа , добавлен 15.01.2013


Разработка электрической принципиальной схемы устройства управления. Обоснование его конструкции. Способ изготовления печатной платы. Расчет размерных и электрических параметров проводников. Моделирование тепловых процессов в подсистеме АСОНИКА-Т.

дипломная работа , добавлен 12.11.2013


Сравнительный анализ существующих способов построения телевизионных камер на приборах с зарядовой связью. Разработка структурной схемы. Синтез схемы управления выходным регистром, а также разработка принципиальной схемы генератора тактовых импульсов.

дипломная работа , добавлен 20.11.2013


Анализ влияния напряжения питания на работу микроэлектронных устройств. Принцип действия и характеристика устройств контроля напряжения. Выбор типа микроконтроллера. Функции, выполняемые супервизором. Разработка алгоритма и структурной схемы устройства.

диссертация , добавлен 29.07.2015


Разработка блок-схемы и программы работы микропроцессорного устройства для контроля и индикации параметров, изменяющихся по случайному закону 8-разрядного двоичного кода. Разработка принципиальной схемы функционирования устройства в среде САПР P-CAD.