ОПТОВОЛОКОННАЯ ЁЛОЧКА
Чтобы порадовать себя и своих близких под новый год, я приобрёл в магазине синтетическую ель с иллюминацией из оптического волокна, модель №.IGT040EG1.
Синтетическая ёль оказалась, высотой 40см, и питалась от 3-х батареек типоразмера "АА” общим напряжением 4,5 вольта. Выключатель питания оказался со стороны основания рядом с отсеком для батареек, что показалось мне не очень удобным. После включения питания, в затемнённой комнате и ожидая увидеть красочное световое представление, я удивился, когда ёлочка стал поочерёдно мигать красным и жёлтым цветом. Разборка корпуса показала, что это синтетическое чудо управлялось маленькой платкой с чипом виде "плюшки”, который последовательно переключал два ярких светодиода красного и жёлтого цвета свечения. Среди ветвей ёлочки была также замечена отдельно висящая гирлянда, составленная из светодиодов белого цвета свечения, которые при включении питания очень ярко светились. На верхушке ёлки размещалась звезда из прозрачного пластика со светодиодами внутри. Звезда оказалась электрически соединенной с гирляндой и зажигалась с ней одновременно. Вот собственно и все что можно сказать об этом оригинальном изделии китайской промышленности.
Посчитав, что технические возможности ёлочки позволяют воспроизвести большее количество световых эффектов, я разработал плату управления на микроконтроллере Atmega8L-8, которую устанавливают взамен старой. В новом варианте елочка создаёт очень красивые световые узоры и динамические эффекты, может работать в четырёх режимах: автоматический, акустический по хлопку, акустический – интерактивно, фотодетектор. Вот некоторые из световых эффектов, которые реализуются при выполнении программы: быстрые переключения трёхцветных светодиодов (для каждого цвета), световой эффект "мерцание” (для каждого цвета), микширование цвета, быстрое включение - плавное гашение, последовательное переключение кристаллов светодиодов с эффектом накопления и смены цвета, цветовые импульсы с малой паузой (для каждого цвета), увеличение частоты вспышек, попеременное переключение ёлочка-гирлянда с изменение цвета свечения и т.д. Использование ярких RGB-светодиодов позволяет наблюдать световые эффекты при дневном свете, но лучшие результаты получаются в затемнённом помещении или при выключенном верхнем освещении.
Так как гирлянда, размещённая на ёлочке, светила слишком ярко, то пришлось программно ограничить уровень яркости свечения гирлянды. Для экономии энергии и выравнивания уровней светимости гирлянды и ёлочки управление гирляндой происходит с импульсом длительностью менее 50% от исходного. Кроме того, гирлянда включается не во всех блоках программы, а только в трёх последних. Воспроизводимые световые эффекты гирляндой следующие: вспышки, быстрое зажигание и плавное гашение, переключения, мерцание.
Переключение из одного режима в другой осуществляется циклически коротким нажатием кнопки установленной на верхней крышке корпуса. Размещённый рядом двухцветный светодиод (красный-синий) выполняет сервисные функции, индицируя активный в данный момент режим работы. Для управления кнопкой SB1 используется внешнее прерывание по входу INT0 микроконтроллера. Поэтому переключение режимов кнопкой можно проводить в любой момент выполнения программы.
В автоматическом режиме индикаторный светодиод не светится, нажатий на кнопку выбора режимов не требуется. Автоматический режим запускается сразу после включения питания (на днище корпуса) и далее работает, циклически воспроизводя запрограммированные световые эффекты. Перейти из этого режима в другие можно однократными короткими нажатиями кнопки SB1. Плата управления циклически воспроизводит 12 сложных программных блоков создающих оригинальный световой узор на ёлочке. А так как в качестве светодиодов были выбраны трёхцветные RGB, то каждый из сложносоставных световых эффектов воспроизводится для каждого цвета, т.е. общее количество достигает 36 эффектов. Необходимо учесть, что одиночный эффект для любого цвета повторяется по нескольку раз, что также увеличивает общее количество воспроизводимых эффектов. Автоматический режим работы ёлочки удобен тем, что не требует оперативного вмешательства, за вас всё делает сама программа, создавая разнообразные световые узоры на поверхности ёлочки.
В акустическом режиме "включение по хлопку” индикаторный светодиод HL1 горит непрерывно красным цветом. Запуск режима производят одним коротким нажатием на кнопку SB1. Ёлочка программно настроена на включение только после третьего хлопка, и будет продолжать работать далее автономно, воспроизводя запрограммированные световые эффекты. В момент хлопка индикаторный светодиод на доли секунды гаснет, что является подтверждением "полученного” звукового сигнала. После третьего хлопка дальнейшие хлопки никакого эффекта не дадут. Для перезапуска нужно три раза нажать на кнопку SB1 выбора режимов работы. Этот режим работы ёлочки можно использовать на вечерах, праздниках, там, где необходимо привлечь внимание, создать загадочную атмосферу, ввести элемент таинственности.
Для включения второго акустического режима работы "интерактивно”, необходимо два раза нажать кнопку SB1 (если сначала) или один раз, если переход производится из предыдущего режима. Индикаторный светодиод HL1 зажжется, синим цветом, затем можно интерактивно запускать переключение трёхцветного составного эффекта. Иначе говоря, на каждый звуковой сигнал ёлочка будет откликаться быстрым последовательным воспроизведением трёх цветов: синим, красным и зелёным. Чувствительность к звуковым сигналам в этом режиме очень высока и устройство будет реагировать даже на обычную речь. Симфония цвета может сыграть роль аккомпанемента к песням под караоке или к музыке.
Для включения режима "фотодетектор” необходимо нажать кнопку SB1 три раза (если сначала) или один раз, если переход производится из предыдущего режима. После включения режима индикаторный светодиод HL1 будет мигать красным цветом. Это означает, что начинается программный анализ уровня освещённости в комнате. Поэтому рекомендуется переключаться в этот режим при уже включенном общем освещении комнаты. Далее малейшее затемнение или выключение света в комнате приведёт к воспроизведению запрограммированных световых эффектов. Особенность режима работы "фотодетектор” в том, что стоит повторно включить свет в комнате как световой эффект на ёлочке выключится. Последующее выключение света в помещении вновь зажжёт иллюминацию на ёлочке и так далее… Это объясняется подключением фототранзистора по второму внешнему прерыванию INT1 микроконтроллера позволяющему оперативно запускать или останавливать программу световых эффектов.
Следующее нажатие на кнопку SB1 (четвёртое по счёту с начала) переключит программу в исходную точку, то есть в первый режим. Для защиты от дребезга контактов в прерываниях выставлены несколько большие задержки, чем обычно принято. Это визуально проявляется как несколько запаздывающее переключению между режимами. Смысл данной временной задержки прост, максимально уменьшить влияние дребезга контактов кнопки на работу программы.
Электрическая схема выполнена на основе микроконтроллере Atmega8L-8 с минимальным уровнем напряжения питания около 2,7 вольта. Такой выбор микроконтроллера продиктован ограничением напряжения питания в виде установленного комплекта из трёх батареек с общим напряжением 4,5 вольта. Для продления срока службы батареек и повышения экономичности, все узлы схемы питаются от широтно-импульсного преобразователя, выполненного на микросхеме MC34063AP. Выходное напряжение установленное делителем R6R8 на уровне 3,5 вольт поступает на микроконтроллер, индикаторный светодиод HL1, трёхцветные светодиоды HL2-HL5 и усилитель ЗЧ на транзисторе VT1.
Для приёма и анализа звуковых сигналов собран усилитель низкой частоты на транзисторе VT1. Цепочка R4C2 стабилизирует работу усилителя. Звуковой сигнал выделяется на плюсовом выходе микрофона BM1 в виде слабых электрических импульсов. Проходя через конденсатор C3, они поступают на базу транзисторного усилителя на VT1, где усиливаются по напряжению. Далее с верхнего по схеме вывода резистора R5 усиленный звуковой сигнал поступает на вход АЦП (выв.28 ADC5) микроконтроллера и оцифровывается. Затем программно анализируется уровень громкости и пауза между сигналами. Для второго режима "включение по хлопку”, акустический сигнал значительно ослабляется, и вводится контроль паузы между сигналами. А для режима "акустика – интерактивно” наоборот программно реализовано усиление сигнала, так что бы ёлочка реагировала на обычную разговорную речь. Чувствительность устройства к звуковому сигналу можно изменять (усиливать или ослаблять) не только программно, но и изменением сопротивления резистора R5 соответственно увеличивая или уменьшая его.
В ячейки памяти программ микроконтроллера DD1 запрограммированы алгоритмы воспроизведения световых эффектов и программа обработки сигналов с внешних датчиков фототранзистора VT2, кнопки SB1 и выхода усилителя ЗЧ. Программно подключен внутренний RC-генератор на 4МГц. Программа разработана на языке BASIC в среде BASCOM-AVR и откомпилирована с объёмом чуть более 4Кб. При программировании конфигурационные биты (fuse bit) устанавливать не требуется. Резистор R16 поступающим высоким уровнем на ножку 1 микроконтроллера запрещает самопроизвольный сброс при просадке напряжения в цепи питания.
Выводы микроконтроллера DD1 для ограничения тока подключены к трёхцветным светодиодам HL2-HL5 через токоограничительные резисторы R9-R11,R13-R15,R17-R22. Управление (включение-выключение) кристаллов каждого из светодиодов HL2-HL5 происходит по программе. Для создания большего разнообразия эффектов все минусовые ножки (катоды) светодиодов подключены через полевой транзистор VT1, который работает в режиме шим-модуляции. Этот сигнал поступает с выхода OC1A и позволяет плавно зажигать или гасить все трёхцветные светодиоды. Аналогичный способ управления был выбран и для гирлянды размещённой на ёлочке. Так как для гирлянды требуется более высокое напряжение (4,5 вольта), то гирлянда подключена непосредственно от источника питания. Для управления гирляндой используется общая шина (минус) подключенная через полевой транзистор VT4. Сигнал управления на затвор полевого транзистора VT4 поступает с вывода микроконтроллера. Этот сигнал, как уже было сказано выше, представляет собой шим последовательность. Длительность импульса в сигнале изменяется по заданной программе, что и проявляется в различных световых эффектах на гирлянде. Микроконтроллер не только управляет RGB-светодиодами, но и комбинирует их включение с гирляндой из светодиодов, в результате чего получаются сложносоставные световые эффекты.
Детали и материалы.
Печатная плата изготовлена из одностороннего листа стеклотекстолита толщиной 1,5-2мм. Размеры печатной платы 60,2x60,2мм. Монтаж радиокомпонентов выполняется по приведённому чертежу. Форма печатной платы имеет фигурный вырез, в который должна поместиться пластмассовая стойка после установки платы в корпусе.
Обратите внимание на установку фототранзистора VT2, двухцветного светодиода HL1 и кнопки SB1. Их монтаж выполняют в последнюю очередь после монтажа всех радиокомпонентов. Заранее нужно подготовить два отверстия для фототранзистора и светодиода на верхней крышке корпуса. Фототранзистор VT2 и светодиод HL1 припаивают практически на полную длину ножек. При монтаже фототранзистора и светодиода необходимо подобрать длину ножек так, чтобы после установки печатной платы в основание корпуса верхняя крышка свободно закрывалась, а корпуса выше указанных деталей слегка выступали из отверстий.
После разметки нужно проделать два отверстия в верхней крышке диаметром около 1мм для монтажа кнопки. Выводы кнопки пропускают через отверстия и загибают с противоположной стороны. С платой кнопку соединяют двумя монтажными проводками.
Специальных отверстий для микрофона в корпусе делать не нужно, высокая чувствительность и селективность схемы позволяет уверенно принимать звуковой сигнал в закрытом корпусе.
В качестве индикаторного светодиода (HL1) автором был выбран с 3мм двухкристальный синего и красного цвета свечения. К сожалению, получить вразумительного ответа, от продавца о типе прибора не удалось. В этой схеме можно использовать любой импортный или отечественный 3мм двухцветный светодиод с кристаллами, синего и красного цвета свечения.
