Mikroprocesorowy wielotrybowy sterownik LED - Sterownik Flagiusza™ wersja 2.2 AMC (3,0 - 4,2V)


Po kilku miesiącach przerwy, chciałbym Wam przedstawić kolejny nowy projekt sterownika, który jest efektem zbieranych od ponad 3 lat doświadczeń oraz opracowywania i testowania najrozmaitszych rozwiązań. Projekt ten nie jest ani demonstracją możliwości, ani rozwiązaniem iście kosmicznym, dalekim od realiów i potrzeb "normalnego" użytkownika - nie jest, bo z założenia taki miał nie być.

Wręcz przeciwnie jego celem było stworzenie rozwiązania wysoce dojrzałego, które połączyłoby wszystko to, co zostało wypracowane w poprzednich wersjach i co sprawdziło się w codziennym użytkowaniu. Natomiast to, czego w poprzednich moich projektach brakowało, zostało tu zaprojektowane i dodane.

Sterownik Flagiusza v.2.2 - wersje: 1A oraz 1,4A

Parametry

Funkcje

Sterowanie


Ogólny diagram trybów pracy sterownika

Sygnalizacja

ZdarzenieSygnalizacja wizualnaWyjście cyfrowe
normalna praca-stan niski (opcjonalna dioda sygnalizacyjna zgaszona)
zapamiętanie bieżącego trybu pracy (dot. konfiguracji 1-klikowej z włączoną opcją pamięci trybu)pojedyncze krótkie mignięcie w 3-ciej sekundzie pracy-
sygnalizacja wejścia do opcji zmian jasności1 sek. ciemnościprzebieg 4Hz (opcjonalna dioda sygnalizacyjna szybko błyska)
sekwencja wyboru ustawień jasnościcykliczne zmiany jasności od minimum do maksimum i z powrotem z pauzami oraz pojedynczym mignięciem przy wartościach skrajnychjw.
sygnalizacja wejścia do trybu konfiguracji sterownika (setup)1 sek. ciemnościstan wysoki (opcjonalna dioda sygnalizacyjna zapalona)
sekwencja wyboru opcji konfiguracji sterownika (setup)naprzemienne zmiany jasności: wysoka i niska w odstępach co 2 sek.jw.
sygnalizacja niskiego poziomu energii (<3,05V)krótkie pojedyncze "ciemne" mignięcia powtarzane w odstępach co ok. 8sprzebieg 1Hz (opcjonalna dioda sygnalizacyjna wolno pulsuje)
sygnalizacja rozładowania ogniwa (<2,9V) - przejście sterownika w tryb "moon-mode"przejście w tryb o obniżonej jasności (moon-mode) oraz krótkie pojedyncze "ciemne" mignięcia powtarzane w odstępach co ok. 8sstan wysoki (opcjonalna dioda sygnalizacyjna świeci światłem ciągłym)
sygnalizacja całkowitego rozładowania ogniwa (<2,8V)4 półsekudnowe błyski o niskiej jasności i wyłączenie się sterownika4 półsekudnowe błyski i przejście w stan niski

Sterowanie kaskadowe

W celu zwiększenia maksymalnego prądu możliwe jest kaskadowe sterowanie dodatkowymi modułami zawierającymi same układy AMC.
Elementy oznaczone żółtym krzyżykiem powinny zostać usunięte (wylutowane).

Przykładowe połaczenia dodatkowych modułów w celu zwiększenia maksymalnego prądu

Opis

Sterownik ten posiada wiele konfigurowalnych opcji wpływających na jego działanie, które zależnie od własnych preferencji i przyzwyczajeń użytkownika dają mu możliwość pełnej personalizacji i indywidualnego dobrania wszystkich funkcji w sposób przez niego oczekiwany.

Zmiana trybu w zależności od wybranej w konfiguracji opcji sterowania następuje "jednoklikiem" lub "dwuklikiem", czyli pojedynczym lub 2-ma następującymi po sobie miękkimi kliknięciami (odłączającymi zasilanie sterownika).

W konfiguracji 1-klikowej zmiana trybu możliwa jest w ciągu pierwszych 2 sekund pracy liczonych od czasu włączenia sterownika lub ostatniego kliknięcia. Po czasie tym sterownik zapamiętuje dokonaną zmianę sygnalizując to jednym krótkim mignięciem.
W opcji 2-klikowej sterownik nie reaguje na pojedyncze kliki, lecz zmienia tryb przy 2 następujących po sobie kliknięciach, natomiast pamięć trybu działa natychmiast po jego zmianie.

Oba rozwiązania są bardzo wygodne i zarazem praktyczne, gdyż bardzo dobrze zabezpieczają przed przypadkowym przełączeniem się trybów podczas użytkowania np. w przy silnych wstrząsach przy jeździe na rowerze w trudnym terenie.

W zależności od konfiguracji sterownik może posiadać pamięć ostatnio używanego trybu pracy, dzięki której po włączeniu zawsze uruchomi się on w trybie ostatnio używanym - czyli w tym, w którym został on wyłączony lub może mieć tę opcję wyłączoną - wówczas przy każdym uruchomieniu zawsze uruchomi się on w trybie pierwszym.
Dodatkowo w opcji zmian trybów 2-klikiem i przy wyłączonej opcji pamięci pojedyncze kliknięcie przełącza sterownik do trybu pierwszego.

Każdy z trybów zarówno ciągłych jak i specjalnych (sekwencje) może mieć dowolnie ustawioną przez użytkownika jasność. Dzięki temu możliwe jest nie tylko ustawienie swoich własnych preferowanych poziomów siły światła w poszczególnych trybach pracy, ale i dobór ich kolejności (np. lowŕmidŕhigh, highŕmidŕlow itd.), co czyni całe rozwiązanie jeszcze bardziej uniwersalnym.

Zmiana jasności dla aktywnego w danej chwili trybu pracy możliwa jest po wejściu do menu ustawień przez 3-klik.
Sterownik zasygnalizuje ten stan 1 sek. ciemności, a następnie przejdzie do procedury wyboru jasności.
Pojedyncze kliknięcie lub wyłączenie latarki podczas sekwencji poprzedzającej wybór ustawień anuluje tryb konfiguracji, bez dokonywania żadnych zmian.
Właściwa sekwencja wyboru rozpoczyna się od poziomu najniższego i stopniowo (co ~0,5s) sterownik zwiększa jasność do wartości maksymalnej, a następnie przebiega w drugą stronę od wartości maksymalnej do minimalnej.
Poziomy skrajne (min i max) trwają nieco dłużej i są sygnalizowane jednym krótkim mignięciem, co doskonale ułatwia ich identyfikację oraz upraszcza wybór wartości skrajnych.

Dostępny zakres jasności mieści się w bardzo szerokim przedziale (od 0,4 do 100%) i został podzielony na 9 poziomów rozłożonych w skali logarytmicznej. Rozkład taki jest bardziej naturalny niż podział liniowy (proporcjonalny), gdyż sprawia wrażenie, że każdy z kolejnych poziomów jest równo oddalony od poziomu go poprzedzającego. Natomiast przyjęta liczba 9 poziomów daje wystarczająco dużą przestrzeń do wyboru własnej preferowanej siły światła z szerokiego spektrum jasności, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej czytelności i powtarzalności wyboru (możliwość dokładnego policzenia kroku odpowiadającego danemu poziomowi jasności).

Wybór siły światła polega na pojedynczym kliknięciu w chwili występowania danej jasności.
Po tym sterownik wraca do używanego wcześniej trybu, ale już z ustawioną nową, wybraną przez użytkownika jasnością. Od tego momentu wybrana jasność zostanie przypisana w pamięci sterownika do danego trybu, aż do kolejnej zmiany (ponownej rekonfiguracji). Gdy przez 3 pełne cykle nie zostanie dokonany żaden wybór, sterownik automatycznie wyjdzie z trybu konfiguracji przywracając poprzedni tryb bez dokonywania żadnych zmian. Każdy z trybów posiada swoje własne niezależne nastawy jasności, których zmiana odbywa się w dokładnie taki sam sposób.

Sterownik posiada możliwość wyłączenia opcji zmian jasności (konfiguracja sterownika), w której dalej będzie on respektował wszystkie dokonane uprzednio ustawienia, ale nie pozwoli na ich zmianę.

Wejście do trybu konfiguracji sterownika (setup) następuje po 5-kilku. Konfiguracja przebiega w 5-ciu kolejnych krokach, odpowiadających danym funkcjom, które użytkownik może włączyć lub wyłączyć wpływając tym samym na działanie sterownika.

Każdy z tych kroków rozpoczyna się 1 sekundowej fazy ciemności, podczas której pojedyncze kliknięcie oznacza pozostawienie danej opcji bez zmian i przejście do kolejnej. Po niej następuje naprzemienne włączanie się jasnego i ciemnego światła w odstępach 2 sekundowych. Kliknięcie w fazie "jasnej" oznacza włączenie danej opcji, natomiast kliknięcie w fazie ciemnej oznacza jej wyłączenie.
Pierwsza sekwencja dotyczy dostępności trybów specjalnych (np. Strobe), druga sposobu sterowania (1-klik / 2-klik), trzecia pamięci trybów, czwarta kontroli napięcia zasilania, a piąta dostępności menu ustawień jasności.

Istnieje możliwość sprzętowego zablokowania opcji konfiguracji (setup`u) poprzez założenie zwory lub zwarcie padów np. kroplą cyny w miejscu PCB oznaczonym symbolem R3. Gdy pole jest otwarte (wartość domyślna) opcja konfiguracji sterownika jest dostępna. Gdy pole jest zwarte opcje konfiguracji (setup) są niedostępne, natomiast sterownik dalej respektuje wszystkie dokonane i zapamiętane uprzednio ustawienia.

Stabilizacja prądu diody zrealizowana została w oparciu o specjalizowane układy AMC 7135 zapewniające prawidłowe warunki pracy diody LED we wszystkich trybach - zarówno ciągłych jak i impulsowych. Dzięki temu w bardzo szerokim zakresie napięć zasilania (przy zachowaniu wymaganego dla układów AMC warunku: VCC >= VF + 0,15V) oraz w pełnym zakresie poziomów jasności zachowuje on stałą jasność (stały prąd) oraz wysoką stabilność barwy światła.

Cyfrowa regulacja jasności realizowana w oparciu o szybką modulację szerokości impulsu (Fast-PWM) gwarantuje, iż nawet w najniższych trybach nie widać żadnego migotania, a praca sterownika w pełnym zakresie jest całkowicie bezgłośna.

Sterownik posiada wbudowaną funkcję automatycznej kontroli stanu rozładowania akumulatora, którego parametry domyślnie dobrane zostały dla ogniw typu Li-Ion. Parametry te pasują również dla popularnego zasilania 3x NiCd/NiMH. Opcja pomiaru i kontroli napięcia jest konfigurowalna (setup) i może zostać przez użytkownika wyłączona.

Elektroniczny układ na bieżąco monitoruje stan rozładowania ogniwa i gdy pozostała ilość energii spadnie poniżej wartości ok. 5%, sterownik zacznie sygnalizować użytkownikowi kończącą się energię krótkimi ciemnymi błyskami powtarzanymi w odstępach, co 8 sekund.
Gdy dostępna pojemność spadnie do wartości ok. 2,5% latarka automatycznie przełączy się w tryb oszczędny o obniżonej jasności, zachowując bieżący tryb pracy (np. ciągły lub strobe). Jest to tzw. "moon-mode", czyli poziom awaryjny o niskiej jasności, umożliwiający awaryjne działanie latarki jeszcze przez co najmniej kilkanaście do kilkadziesięciu minut (wartość czasu pracy zależna od typu i pojemności zastosowanego ogniwa oraz max. prądu diody LED).
Gdy napięcie akumulatora osiągnie minimalną, bezpieczną dla niego wartość (2,8V), sterownik zasygnalizuje użytkownikowi pełne rozładowanie 4-ma półsekundowymi mignięciami poczym automatycznie wyłączy się. Mechanizm ten zabezpiecza akumulator przed szczególnie niebezpiecznym dla ogniw Li-Ion głębokim rozładowaniem, co istotnie wpływa na jego bezpieczeństwo, pojemność oraz długie i bezawaryjne użytkowanie. Sterownik ten może być zatem bezpiecznie stosowany z ogniwami bez wbudowanych zabezpieczeń (ogniwa typu "unprotected"). Uwaga: wyłączenie w konfiguracji sterownika opcji kontroli ogniwa wyłącza jednocześnie opcję zabezpieczającą ogniwo przed głębokim rozładowaniem.

Dodatkowo sterownik ten udostępnia sygnał cyfrowy informujący o parametrach jego pracy, który może być bardzo prosto wykorzystany do dodatkowej sygnalizacji (np. na "czerwonej" diodzie LED małej mocy) bieżącego stanu zasilania oraz opcji specjalnych (trybów konfiguracji). Funkcja ta jest jedynie opcjonalnym dodatkiem pomocnym w niektórych zastosowaniach sterownika i nie jest ona wymagana.

Sterownik dopuszcza możliwość dokonywania zmian trybów oraz zarządzania opcjami konfiguracji przy pomocy przycisku astabilnego (chwilowego) np. tzw. micro-switch`a. Podłącza się go między masę układu znajdującą się na obrzeżu płytki sterownika, a pierwsze wyprowadzenie mikrokontrolera (największego z układów) w miejscu oznaczonym kropką.

Dwie ostatnie funkcje powstały przede wszystkim z myślą o zastosowaniu w latarkach rowerowych, czołówkach oraz rozwiązaniach stacjonarnych, gdzie dodatkowa sygnalizacyjna "czerwona" dioda LED może być wyprowadzona w dowolnym dobrze widocznym dla użytkownika miejscu, a możliwość bardzo wygodnej zmiany trybów przy pomocy miniaturowego niskoprądowego przycisku zwiększy wygodę użytkowania.

Linki

Jestem pomysłodawcą i autorem przedstawionego tu rozwiązania oraz kodu mikrokontrolera, do których zastrzegam sobie prawa autorskie.
Publikowanie tego artykułu w całości lub części możliwe jest wyłącznie w celach edukacyjnych przy zachowaniu pełnej informacji o autorze Flagiusz oraz ze wskazaniem źródła w postaci odnośnika do niniejszej strony internetowej.
Wykorzystywanie opisów, ich fragmentów, zdjęć, diagramów oraz pomysłów autorskich w celach komercyjnych wymaga zgody autora