close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Коняшкин Сергей Валерьевич. Оптимизация энергопотребления дорожных светодиодных светофоров

код для вставки
1
2
3
4
Содержание
ГЛАВА 1 Анализ состояния дел в предметной области .............................. 10
1.1 Изучение отечественной и зарубежной научной литературы по теме
исследования .......................................................................................................... 10
1.2 Постановка цели и задач исследования ........................................................ 14
1.3 Выводы по главе 1 ........................................................................................... 16
ГЛАВА 2 Сравнительный анализ методов снижения энергопотребления
ДСС ........................................................................................................................ 17
2.1 Применение ШИМ регулятора ...................................................................... 17
2.2 Применение адаптивного снижения тока ..................................................... 19
2.2.1 Схема на операционном усилителе ............................................................ 19
2.2.2 Схема с инжекцией тока .............................................................................. 21
2.2.3 Схема с делителем плавающего напряжения ............................................ 22
2.3 Применение секционного включение светодиодной матрицы .................. 26
2.4 Выводы по главе 2 ........................................................................................... 28
ГЛАВА 3 Разработка макета ДСС ................................................................... 30
3.1 Описание аппаратно-программных средств................................................. 30
3.1.1 Отладочный комплект Arduino Uno R3 ..................................................... 31
3.1.2 Датчик освещенности BH1750FVI ............................................................. 37
3.1.3 Плата расширения Trema Shield ................................................................. 39
3.1.4 Символьный дисплей LCD1602 IIC/I2C .................................................... 42
3.2 Разработка макета на базе Arduino ................................................................ 43
3.3 Разработка алгоритма управления яркостью светодиодов ......................... 46
3.4 Результаты моделирования ............................................................................ 56
3.5 Выводы по главе 3 ........................................................................................... 58
ГЛАВА 4 Разработка прототипа ДСС с низким энергопотреблением ..... 59
4.1 Разработка схемы электрической структурной ДСС .................................. 59
4.2 Разработка схемы электрической принципиальной ДСС ........................... 60
4.3 Разработка конструкции ДСС ........................................................................ 63
5
4.4 Выводы по главе 4 ........................................................................................... 65
Заключение ........................................................................................................... 67
Список использованных источников ............................................................. 68
Приложение А ...................................................................................................... 74
Приложение Б ..................................................................................................... 71
6
Введение
Актуальность исследования. В настоящее время энергосбережение и
сокращение эксплуатационных расходов на обслуживание различных
технических средств является одной из актуальных задач хозяйственной
деятельности современного города. Одним из способов решения этой задачи
стало применение светодиодных дорожных светофоров (транспортных и
пешеходных)
взамен
ранее
установленных,
использующих
лампы
накаливания.
Применение
новых
светодиодных
светофоров
и
светодиодных
светоблоков для замены оптической системы в светофорах с лампами
накаливания
позволяет
существенно
снизить
энергопотребление
и
эксплуатационные затраты на обслуживание светофорных объектов, а также
повысить безопасность дорожного движения.
Для
оптимизации
энергопотребления
светодиодных
дорожных
светофоров применяют два пути повышения энергоэффективности. Первый
заключается в интеллектуальном режиме работы, в котором светофор
автоматически
подстраивается
под
временные
режимы
дорожного
контроллера. Второй строится на основе внедрения датчика освещенности,
который позволяет при программировании пользователем с помощью ПК
изменять яркость свечения сигналов светофора и табло в зависимости от
внешней
освещенности
или
по
суточному
плану
с
возможностью
корректировки времени суток.
Степень ее разработанности. В области исследований проблем
разработки и внедрения светодиодных светофоров и светодиодной техники
наибольший вклад был внесен учеными и инженерами следующих
организаций и вузов: ВНИИЖТ, МИИТ, НИИАС, ТрансСигнал, УОМЗ,
УрГУПС и др. Среди отечественных ученых и инженеров в этом отношении
следует отметить: В.И. Есюнина, Ю.И. Зенковича, В.М. Лисенкова, М.А.
Мурашову, А.Б. Никитина, Ю.Ю. Пусвацета, Е.Н. Розенберга, Е.О. Савельева,
7
Вл. В. Сапожникова, Б.С. Сергеева, С.А. Щиголева. Среди зарубежных ученых
можно отметить: J.D. Bulough, P. LeMunh, M. Moley, J. Munro, S. Nakamura и
др. В своих исследованиях автор опирался на их работы, а также на
практические результаты других отечественных и зарубежных ученых и
инженеров.
Цель работы – изучение и разработка макета для процесса управления
яркостью свечения светодиодных матриц в зависимости от внешней
освещенности или по суточному плану для снижения энергопотребления ДСС.
Для достижения цели были поставлены следующие взаимосвязанные задачи:
1. Провести анализ состояния дел в предметной области.
2. Провести
анализ
методов,
применяемых
для
снижения
энергопотребления ДСС.
3. Провести моделирование управления яркостью свечения светодиода
на макете.
4. Разработка прототипа ДСС с управления яркостью свечения
светодиодов на основе полученных результатов.
Объект исследования – дорожный светодиодный светофор.
Предмет исследования – процесс управления яркостью свечения
светодиодных матрица дорожного светодиодного светофора для повышения
энергоэффективности.
Теоретическая и практическая значимость работы. Рассмотренные в
диссертационном исследовании теоретико-методические подходы, позволяют
повысить
энергоэффективность
светодиодных
дородных
светофоров.
Результаты выпускной квалификационной работы носят прикладной характер
и могут применяться при разработке дорожных светодиодных светофоров.
Информационная
база
исследования.
Законодательные
и
нормативные правовые акты, государственные стандарты, научные статьи,
авторефераты и диссертации.
Публикации.
Основные
положения
магистерской
диссертации
опубликованы в двух публикациях:
8
1. Коняшкин С. В., Ноздрин С. И., Ефимов С. М. Управление яркостью
свечения секций дорожного светодиодного светофора [Текст] // Сборник
статей
международной
научно-практической
конференции
«Фундаментальные проблемы науки» (Казань, 20.06.2017). Стерлитамак:
АМИ, 2017. – С.75-80.
2. Коняшкин С. В., Ноздрин С. И., Ефимов С. М. Сравнительный анализ
аппаратно - программных средств управления дорожным движением [Текст]
// Сборник статей международной научно-практической конференции
«Фундаментальные проблемы науки» (Казань, 20.06.2017). Стерлитамак:
АМИ, 2017. – С.121-125.
Структура и объем работы. Выпускная квалификационная работа
магистра состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы
из 43 наименований. Текст выпускной квалификационной работы магистра
изложен на 87 страницах, включает 31 рисунок.
9
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ДЕЛ В ПРЕДМЕТНОЙ
ОБЛАСТИ
1.1 Изучение отечественной и зарубежной научной литературы по
теме исследования
После принятия федерального закона "Об энергосбережении и о
повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений в
отдельные законодательные акты Российской Федерации" от 23.11.2009 N
261-ФЗ, появилась необходимость о разработке и внедрении светофорных
систем
с
низким
энергопотреблением,
а
также
модернизации
уже
существующих систем [1].
В большинстве случаев транспортные ламповые светофоры заменены на
светодиодные по ряду причин, к основным относятся:
 низкое энергопотребление;
 отсутствие искажения знаков при бликовании на солнце;
 увеличение срока службы в разы;
 повышенная эксплуатационная надежность;
Согласно ГОСТу Р 52282-2004 «Технические средства организации
дорожного движения. Светофоры дорожные. Типы и основные параметры.
Общие технические требования. Методы испытаний» в пункте 4.5.5
прописано: «Сигналы светофоров должны быть четко различимы в ночное
время с расстояний не менее 100 метров, когда они переведены на режим
пониженного напряжения питания, составляющий не менее 80% от
номинального напряжения»1 [2].
Перечень производимых на данный момент дорожных светодиодных
светофоров (ДСС) и их компонентов достаточно велик. Регистр наиболее
Технические средства организации дорожного движения. Светофоры дорожные. Типы и основные
параметры. Общие технические требования. Методы испытаний» (ВЫДЕРЖКИ ИЗ ГОСТ Р 52282-2004)
http://pdd-russia.ru/avtourist/dorozhnyie-svetoforyi/
1
10
популярных светофоров, производимых в России и за границей приведен в [3–
7].
В большинстве случаев дорожные светодиодные светофоры строятся на
базе светодиодных матриц, которые состоят из нескольких параллельных
цепей с параллельным включением нескольких отельных светодиодов в
каждой.
Организацией требуемого значения силы тока, проходящей через
светодиод в каждой из цепей как, правило устанавливается, при установки
активного сопротивления или LDO-стабилизатора напряжения. В таком
случаем
электроника
светофора
упрощается,
это
несет
снижение
энергетической эффективности и снижение эксплуатационных характеристик.
Из концепции энергоэффективности наиболее совершенными являются
схемы источников тока, где применяются конденсаторы и индуктивности [8]
В качестве формирователей тока для питания диодов матрицы все чаще
применяются специализированные драйверы, которые изготавливаются в виде
интегральных стабилизаторов постоянного напряжения (ИСПН). ИСПН на
данный момент времени широко распространены, и представлены на рынке
как драйверами Российского, так и заграничного производства. Их
популярность обоснована стабильной работой и высоким коэффициентом
полезного действия (как привило составляется порядка 0,8-0,9). Таким
образом применения драйверов ИСПН имеет ярко выраженное преимущество
в энергосбережении перед схемами с активным сопротивлением. По мимо
выше сказанного цена ИСПН отечественного и заграничного производства не
велика, в следствии чего применение данных микросхем целесообразна и
обоснована.
Не так давно появились светофоры, принцип работы которых основа
колориметрическом смешении цветов СИД, которые имею различные дины
волн и цвета излучения [9-12]. Вариации схем и управление ими представлены
в работах авторов [13-17]. В исследования показано, что при применении в
устройстве двух светодиодов с различными динами волн можно получить три
11
цвета. Так как число цветов светодиодов таких системах не ограничено, то
количество синтезируемых цветов свечения увеличивается. Подобные схемы
широкого применения в дородных светодиодных светофорных системах
широкого применения не получили так как они имеют более сложную
структуру. Усложнение структуры связано с необходимость расположения
кристаллов p-n переходов различных светодиодов в непосредственной
близости друг от друга.
Светофоры
соответствием
с
синтезируемыми
получаемых
длин
цветами
волн,
так
же
обладают
не
которые
не
соответствуют
нормативным документам [18, 19]
Еще
одним
светодиодных
путем
светофоров
повышения
является
энергоэффективности
применение
дорожных
различных
датчиков
освещения и автоматической подстройки под временные режимы.
Дорожные светодиодные светофоры, разработанные по
данной
концепции в своём составе должны иметь встроенный датчик освещенности,
позволяющий при программировании оператором с помощью ПК изменять
яркость свечения сигналов светофора и табло в зависимости от внешней
освещенности или по суточному плану с возможностью корректировки
времени суток.
Принцип работы светодиодного светофора с датчиком освещения
заключается в следующем: после включения светофора загорается красная и
зеленая секции, после чего происходит обучение табло обратного отсчета
времени (ТООВ) в течение двух рабочих циклов. По завершении обучения
одновременно с зеленой и красной секциями светофора на ТООВ
отображается оставшееся время действия зеленого или красного сигналов
светофора соответственно. Параллельно происходит измерение нового
времени действия сигналов светофора.
Яркость свечения желтой секции и цифр ТООВ можно изменять в
зависимости от показаний датчика освещенности. В системе ТООВ
необходимо иметь возможность управлением следующими параметрами:
12
 режим работы с датчиком освещенности или без него;
 регулировка яркости свечения желтой секции и символов ТООВ в
режиме работы без датчика освещенности;
 минимальная и максимальная яркости свечения желтой секции,
соответствующие минимальной и максимальной внешней освещенности
согласно ГОСТ;
 минимальная и максимальная яркости свечения символов ТООВ,
соответствующие минимальной и максимальной внешней освещенности;
 управление яркостью свечения символов ТООВ отдельно от яркости
свечения желтой секции;
 возможность отключения отображения символов ТООВ в ночное
время.
Яркость свечения секций светофора (красной и зелёной) и символов
ТООВ изменяется в зависимости от времени суток (суточным планам) или по
показаниям фотодатчика в зависимости от внешней освещенности.
Режим изменения яркости свечения секций задаётся при настройке
светофора и могут быть изменены в процессе эксплуатации. Диапазон
изменения яркости от максимального значения уровня яркости 100% до
минимального значения уровня яркости 20% в ночное время суток, в
соответствии с заданной программой или в соответствии с сигналом
встроенного фотодатчика. Яркость изменяется с шагом 5% в 24 диапазонах
времени суток.
Для избежание сбоя в работе светофора или его некорректной работе,
система
должна
осуществлять
автоматическую
диагностику
работоспособности датчика освещенности и переход в режим работы без
датчика если его показания недостоверны в результате существенного
загрязнения защитного стекла, либо других факторов.
Помимо описанных выше имеется большое количество других
конструктивных, технологических и схемотехнических решений в управлении
13
дорожными светодиодными светофорами, отличие которых от описанных не
значительна.
Изначально светодиодные светофоры применялись исключительно на
железных дорогах заграницей с середины девяностых годов прошлого века
[20]. Хотя светодиоды начали внедрять в системы индикации гораздо раньше
и отображения информации, применение их в светофорах различного
назначения не представлялось возможным. Во-первых, это связано с
спектральной
характеристикой
излучения
светодиодов,
она
не
соответствовала требуемым нормам по диапазонам цветности излучения. На
тот момент времени в широком доступе отсутствовали светодиоды с зеленым
цветом излучения. Во-вторых, создании требуемой яркости и фокусировки
излучения светодиодов и светодиодных матриц светофора.
Последние годы происходит интеграции дорожных светодиодных
светофоров в систему управления движением и наблюдение за дорогой. Это
является функционально новой возможностью применения светофоров,
которая позволяет существенно увеличить качество регулирования и
управление движением.
1.2 Постановка цели и задач исследования
В процессе разработки дорожного светодиодного светофора с датчиков
света были проведены исследования и макетирование для изучения процесса
управления яркостью светодиода в зависимости от показаний датчика света.
Необходимость выполнения подобных исследования обоснована в [21], где
определены основные и необходимые направления работ в этой области.
Проведенный обзор показал, что большая часть применяемых дорожных
светофоров имеют малую энергоэффективность [22-24], в следствии чего был
определен
ряд
решений
[25-28],
которые
позволяют
повысить
энергоэффективность светодиодных светофорных объектов.
14
Большое число отечественных и зарубежных дайверов для управления
светодиодным матрицами, позволила повысить точность и качество
управления, следствием чего является снижения потребления электроэнергии.
Проведена научная и проектная проработка вопросов конструктивной
реализации
дорожных
светодиодных
светофоров
и
требований
стандартизации с имеющимися в эксплуатации светофорами устаревших
типов, которые имеются на хранении и используются по сей день.
На основе проведенного макетирования и моделирования электрических
процессов и принципов действия фотоэлектронных преобразователей
определены возможности контроля и управления светодиодным дорожным
светофором.
В качестве датчика контроля освещения могут применяться различные
фотоэлементы как имеющие интерфейс для связи с контроллером, так и без
него.
присутствует управление яркостью свечения светодиодной матрицы, которое
необходимо
для
выполнения
режимов
снижения
энергопотребления
независимо от времени суток и режима светомаскировки.
За счет перехода к подаче напряжения путём изменения скважности
импульсов,
при
постоянной
частоте,
дает
возможность
повысить
энергетические параметры светодиодов и служить источник передачи
информации для водителей и пешеходов.
15
1.3 Выводы по главе 1
Приведенный в данной главе выпускной квалификационной работы
анализ состояния дел в предметной области показал:
1)
Дорожные
светодиодные
светофоры
имеют
низкое
энергопотребление по сравнению с ламповыми на два-три раза. Срок службы
светодиодных светофоров в десятки раз дольше чем ламповые. Ламповые
светофоры имеют более сложные конструкцию и управление.
2)
Определены
основные
конструктивные,
технологические
и
схемотехнические решения в управлении дорожными светодиодными
светофорами. К ним относятся:
 блоки разрабатываемых светодиодных должны быть совместимы с
корпусами имеющихся в эксплуатации светофоров устаревших типов,
которые имеются на хранении или используются по сей день;
 использование
датчиков
освещенности
позволяет
управлять
яркостью свечения сигналов светофора и табло в зависимости от внешней
освещенности;
 светодиодные
светофоры
принцип
работы,
которых
основа
колориметрическом смешении цветов СИД, не подходят для дорожного
применения так как имеют сложную структуру и высокую цену.
3) Выделены основные методы снижения энергопотребления дорожного
светодиодного светофора:
 применение ШИМ регулятора;
 применение адаптивного снижения тока;
 применение секционного включение светодиодной матрицы.
16
ГЛАВА
2
Сравнительный
анализ
методов
снижения
энергопотребления ДСС
2.1 Применение ШИМ регулятора
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — один из способов снижения
воспринимаемой яркости в светодиодных светофорах, работающий путём
быстрого циклического включения и выключения светодиодной матрицы.
Такая периодическая подача импульсов обычно происходит на постоянной
частоте, а отношение длительности части каждого цикла, в течение которой
подсветка включена, к общей длительности цикла называется коэффициентом
освещения (величина, обратная скважности) (Рисунок 2.1).
Рисунок 2.1  Формат ШИМ
Изменением скважности достигается изменение общей светоотдачи
светодиодной матрицы. На зрительном уровне этот механизм работает
благодаря тому, что чередование включённого и выключенного состояний
подсветки происходит достаточно быстро, и пользователь не замечает
мерцания, поскольку оно находится за пределами порога слияния мельканий
(подробнее об этом ниже) [29].
Ниже приведены графики светоотдачи светодиодной матрицы на
протяжении нескольких циклов с использованием «идеальной» ШИМ
(Рисунок 2.2). Максимальная светоотдача подсветки в этом примере
составляет 100 кд/м², а воспринимаемая яркость для коэффициентов
17
освещения 90%, 50% и 10% — 90, 50 и 10 кд/м² соответственно. Соотношение
между минимальным и максимальным уровнями яркости в течение одного
цикла называется глубиной модуляции и в данном случае составляет 100%. На
протяжении цикла в приведённом примере яркость светодиодной матрицы
максимальна.
Рисунок 2.2  Графики светоотдачи светодиодной матрицы
Аналоговые (без использования ШИМ) графики, соответствующие
воспринимаемым уровням яркости, представлены на рисунке 2.3. Здесь
модуляция отсутствует.
Рисунок 2.3  Графики воспринимаемой яркости для
коэффициентов освещения
Основными причинами применения ШИМ являются лёгкость её
реализации, для которой от светодиодной матрицы нужна лишь способность
часто включаться и выключаться, а также обеспечиваемый с её помощью
широкий диапазон возможных значений яркости.
Снизить яркость светодиодной матрицы можно путём снижения тока, но
лишь примерно вдвое ввиду их строгих требований к току и напряжению. Это
18
делает ШИМ единственным простым способом достижения широкого
диапазона регулирования яркости.
2.2 Применение адаптивного снижения тока
Аналоговое управление яркостью светодиодов обеспечивает ряд
преимуществ:
возможность
автономной
работы
без
необходимости
использования дополнительных схем (таких как микроконтроллеры) для
генерации ШИМ-сигналов.
Большинство представленных на рынке драйверов светодиодов не
имеют встроенной функции аналогового управления яркостью. Рассмотрим
альтернативные способы аналогового управления яркостью в традиционных
схемах драйверов светодиодов.
Рисунок 2.4  Упрощенная схема драйвера светодиода
с постоянным током
На рисунке 2.4 представлена схема драйвера светодиода с замкнутым
контуром регулирования по постоянному току. В данной схеме, также, как и в
19
большинстве других аналогичных схем, как импульсных, так и линейных, ток
светодиода определяется с помощью токочувствительного резистора,
включенного последовательно со светодиодом. Напряжение на этом
резисторе, пропорциональное току светодиода, поступает на вход цепи
обратной связи (FB) регулятора (некоторые производители называют этот
вход CS (Current Sense — измерение тока)) и используется для настройки
контура регулирования для управления напряжением, подающимся на
светодиод для поддержания заданного тока через него.
При рассмотрении этой упрощенной схемы замкнутого регулятора
становится очевидным что, управляя сигналом на входе FB регулятора, можно
менять значение постоянного тока драйвера светодиода, т.е. осуществлять
аналоговое управление его яркостью.
Основной целью аналогового управления яркостью светодиода является
регулирование тока светодиода (а, значит, и его яркости) за счет изменения
постоянного
управляющего
напряжения.
В
некоторых
случаях
для
регулирования яркости можно использовать простой потенциометр.
На
практике
для
достижения
такой
функциональности
могут
применяться и другие схемы, но все они должны делать одно и то же: схема
должна отслеживать ток через светодиод и использовать эту информацию для
поддержания его значения на заданном (постоянном) уровне. Схема должна
принимать внешний сигнал управления (постоянное напряжение или сигнал
потенциометра) для регулирования значения тока через светодиод, тем самым
управляя его яркостью.
2.2.1 Схема на операционном усилителе
При помощи схем на ОУ можно объединить внешнее напряжение
управления (сигнал аналогового управления яркостью светодиодов) и
информацию о реальном токе через светодиод, подавая их на вход FB ИС
драйвера. Такая схема будет работать очень хорошо, выполняя все требования
20
к аналоговому управлению яркостью светодиодов и обеспечивая основное
достоинство метода аналогового регулирования — простоту. Здесь нет
необходимости применения дополнительных ИС для генерации PWMсигнала, что, несомненно, является преимуществом. Однако в случае
применения для аналогового регулирования яркости дополнительного ОУ, это
преимущество исчезает. Чтобы преодолеть этот недостаток, необходимо
воспользоваться методом, способным без дополнительных ИС обеспечить
взаимодействие внешнего сигнала управления и действующего напряжения в
цепи обратной связи.
2.2.2 Схема с инжекцией тока
В типовых схемах регуляторов выходного напряжения используется, как
правило, метод регулирования, в котором внешним сигналом управления
является инжекция тока [30].
На рисунке 2.5 показан упрощенный вариант такой схемы. В подобных
схемах инжекции тока постоянное напряжение управления подается на узел
перед входом FB через резистор (R3). Поскольку при таком включении между
узлом перед входом FB и точкой приложения напряжения управления
(VCTRL) существует некоторая разность напряжений, через резистор R3
будет
течь
небольшой
ток.
Поскольку
вход
FB
ИС
является
высокоимпедансным входом, ток через него будет практически равным нулю.
Считая так, можно предположить, что единственным путем для тока, текущего
через резистор R3, является путь через нижний резистор обратной связи RFB2.
Протекание тока через резистор RFB2 приводит к изменению напряжению на
нем, что эффективно меняет напряжение, подаваемое на вход FB, которое,
очевидно, является напряжением управления, определяющим выходное
напряжение регулятора.
21
Рисунок 2.5  Метод инжекции тока для управления по постоянному току
выходным напряжением регулятора напряжения
В схемах драйверов светодиодов можно использовать такую концепцию
инжекции тока. Однако поскольку нижний чувствительный резистор в цепи
обратной связи имеет, как правило, очень небольшое значение (доли ома), то
для получения ощутимого напряжения на нем необходимо инжектировать
значительный ток, который должен быть того же порядка, что и ток через
светодиод. Поэтому в случае использования современных светодиодов
высокой яркости, через которые течет ток в сотни-тысячи мА, такой подход
применять нельзя.
2.2.3 Схема с делителем плавающего напряжения
На рисунке 2.6 показана альтернативная схема, в которой объединяются
напряжения от внешнего источника и от резистора, используемого для
определения тока через светодиод. В такой схеме для обеспечения управления
тока через светодиод во всем его рабочем диапазоне может быть реализовано
произвольное управляющее напряжение. В общем случае это напряжение
можно получать от внешнего источника, потенциометра, ЦАП и т.д.
22
Рисунок 2.6  Упрощенная метода аналогового регулирования
При правильном выборе соотношения резисторов R1 и R2, а также
значения RSNS можно организовать протекание через светодиод практически
любого тока, полный диапазон которого реализуется за счет применения
внешнего регулируемого источника напряжения. Минимальный диапазон
VCTRL составляет 0 В…2·VREF (например, 0…400 мВ для ИС драйвера с
напряжением VREF = 200 мВ). Однако верхний предел этого диапазона может
уходить вверх настолько, насколько требуется, например, 0…5; 0…10 В и т.д.
В схеме с делителем плавающего напряжения первым параметром,
который обычно определяют, является значение напряжения (VFB) в средней
точке делителя, сформированном резисторами R1 и R2, показанном на
рисунке 2.6. Для этого необходимо знать значения на каждом конце этого
делителя (VCTRL и VLED), а также значения резисторов (R1 и R2), что видно из
уравнения (2.1).
Однако важно понимать, что в каждом конкретном приложении в
результате влияния замкнутого контура регулирования на работу драйвера
светодиода, напряжение обратной связи (VFB) будет отслеживать напряжение
VREF, которое во всех случаях имеет фиксированное значение. Поскольку R1,
R2, RSNS и VREF являются константами, уравнение (2.1) можно решить
относительно VLED (см. уравнение (2.2)), что позволяет определить прямой ток
через светодиод (IF) в нашей схеме в виде функции от остальных переменных:
23
VFB 
R2
 VCTRL  VLED   VLED ;
R1  R 2
VLED 
R 2VFB  R1VFB  R 2VCTRL
;
R1
(2.2)
VLED
;
R SNS
(2.3)
IF 
IF 
(2.1)
R 2VFB  R1VFB  R 2VCTRL
;
R1R SNS
(2.4)
Уравнение (2.3) показывает взаимосвязь между VLED и IF. Используя это
соотношение в уравнении (2.2), получим уравнение (2.4), позволяющее
определить IF как функцию от VCTRL.
На рисунке 2.7 показан график зависимости, построенной по уравнению
(2.4),
соответствующий
управляющей
передаточной
функции
схемы,
представленной на рисунке 2.6. R1, R2 и RSNS выбраны таким образом, чтобы
в нашем примере обеспечить диапазон тока светодиода 0…1 A, регулируемый
изменением постоянного напряжения в диапазоне 0…5 В.
Для
каждого
конкретного
приложения
задаются
значения
максимального номинального тока для светодиода (IFMAX), максимального
напряжения управления (VCTRLMAX), а также значение опорного напряжения
ИС драйвера (VREF). Поэтому неизвестными в уравнении (2.4) остаются только
значения R1, R2 и RSNS, которые и необходимо правильно выбрать.
Рекомендуется начинать со значения R2, которое обычно выбирается из
стандартного ряда значений 10…25 кОм. При достаточном токе на входе F B в
диапазоне таких значений схемы в большинстве случаев будут работать
хорошо. Чем меньше ток на входе FB, тем меньшие значения R2 рекомендуется
использовать. Поскольку ток на входе FB значительно ниже токов смещения
через R1 и R2, он не будет сказываться на точности.
24
Рисунок 2.7  Зависимость IF от VCTRL, построенная по уравнению (2.4), при
токе светодиода 0…1 A, регулируемом изменением постоянного напряжения
в диапазоне 0…5 В
Как видно из рисунка 2.7, прямой ток светодиода (IF) равен 0 при
максимальном значении VCTRL. Это обстоятельство помогает упростить
уравнение (2.4) для нахождения выражений для расчета R1, что показано в
уравнениях (2.7) и (2.9):
IF 
R 2VFB  R1VFB R 2VCTRLMAX
;

R1R SNS
R1R SNS
R1VFB  R 2VCTRLMAX  R 2VFB ;
R1 
R 2  (VCTRLMAX  VREF )
;
VFB
(2.5)
(2.6)
(2.7)
Поскольку VFB отслеживает VREF:
VFB  VREF ;
(2.8)
R1 можно найти как:
R1 
R 2  (VCTRLMAX  VREF )
;
VREF
(2.9)
25
Максимальный прямой ток для LED (IFMAX) соответствует нулевому
значению VCTRL, и по аналогии со случаем, описанным выше, уравнение (2.4)
можно свести к уравнению (2.10), позволяющему рассчитать значение RSNS:
R SNS 
VREF  (R1  R 2)
;
I FMAXR1
(2.10)
При выборе R1 рекомендуется выбирать значение, несколько меньшее
от рассчитанной идеальной величины. Это позволяет полностью отключать
светодиод чуть раньше, чем VCTRL достигнет своего максимума. Это
обеспечивает полное отключение светодиода, независимо от допусков на
компоненты. Необходимо также проанализировать, может ли в системе
меняться VAUX. Если да, то компоненты необходимо выбирать в соответствии
с их нижними значениями. Это необходимо для надежного отключения
светодиодов при любых возможных условиях эксплуатации.
2.3 Применение секционного включение светодиодной матрицы
При
секционном
включение
светодиодной
матрицы
различают
статический и динамический принципы [31].
При динамическом принципе, все аноды светодиодов в строках
подключаются к горизонтальным «шинам», а все катоды светодиодов в
колонках подключаются к вертикальным «шинам». В таком случае, засветятся
только светодиоды, стоящие на перекрестьях шин, на которых в данный
момент
есть
разность
потенциалов.
Далее
происходит
поочерёдное
подключение горизонтальных шин к питанию. Сначала подключается верхняя
горизонтальная шина, все остальные горизонтальные шины в это время
отключены. Через некоторое время она отключается от питания и
подключается вторая сверху, все остальные горизонтальные шины по26
прежнему отключены. Дальше – третья сверху, так далее. Таким образом
происходит построчное «засвечивание» всей матрицы светодиодов.
Достоинства динамического принципа отображения информации на
светодиодной панели: простота схемотехнического и программного решения
и невысокая потребляемая мощность, в силу того, что в каждый произвольно
взятый момент времени могут светиться (и потреблять энергию) только
светодиоды в одной горизонтальной строке.
Горизонтальные
«шины»
Вертикальные «шины»
Рисунок 2.8 – Светодиодная матрица при динамическом
принципе отображения информации
При реализации статического принципа каждый светодиод имеет свой
управляемый ключ. Те светодиоды, которым микроконтроллер позволяет в
данный момент светиться, светятся непрерывно. Для получения движущейся
картинки какие-то светодиоды нужно вовремя выключить, какие-то вовремя
включить. Это реализуется посредством программы контроллера [32].
27
Достоинствами статического принципа отображения информации на
светодиодной панели являются: высокая яркость и четкость изображения.
Такие строки отлично видны даже в прямых солнечных лучах.
Недостатки
статического
принципа,
является
сложность
схемотехнического и программного обеспечения. Если для динамического
табло требуется N+M ключей (N - количество строк; M - количество колонок),
то для статического их требуется N×M. То есть более высокая цена на табло
статического типа; высокая потребляемая мощность.
2.4 Выводы по главе 2
Проведя
сравнительный
анализ
вариантов
снижения
яркости
светодиодной матрицы светофора можно сделать следующие выводы:
 яркостью светодиодных матриц можно регулировать в широких
пределах путём изменения, проходящего через них тока, в результате чего
несколько изменяется цветовая температура;
 аналоговый подход к изменению яркости светодиодов нежелателен
ввиду того, что вспомогательные цепи обязаны учитывать тепло, выделяемое
светодиодами. Светодиоды во включённом состоянии нагреваются, что
уменьшает их сопротивление и дополнительно увеличивает протекающий
через них ток. Это может привести к быстрому росту тока в светодиодах и
послужить причиной выхода их из строя;
 при использовании ШИМ ток можно принудительно удерживать на
постоянном уровне в течение рабочего цикла, в результате чего цветовая
температура всегда одинакова и перегрузок по току не возникает;
 из-за построчного сканирования напряжение, в динамическом
принципе включения на светодиоды подается не постоянно, а импульсами
заданной длительности. Каждый светодиод матрицы за время одного кадра
засвечивается только в течение времени сканирования одной строки. Видимая
28
яркость светодиода обратно пропорциональна скважности сканирования. А
так как матрица имеет 149 то, то получается, что яркость светодиодной
матрицы будет в несколько раз ниже, чем при статическом режиме
управления;
 светодиодные матрицы с динамическим принципом отображения
информации подходят только для работы внутри помещения, т.е. если на
матрицу не попадают прямые солнечные лучи;
 для статического принципа управления, недостатком является
сложность схемотехнического и программного обеспечения.
29
ГЛАВА 3 Разработка макета ДСС
3.1 Описание аппаратно-программных средств
Arduino  аппаратно-программная платформа для разработки и
проектирования устройств, разработанная компанией Arduino Software.
Бесплатная программная интегрированная среда разработки создана на
базе языков программирования C/C++ и обладает одноимённым с самим
устройством название. Наличие Arduino-совместимых плат расширяет
пользовательские возможности разработки с применением аппаратных и
программных компонентов.
Arduino представляет собой плату с контактами для подключения
дополнительных компонентов. Технические характеристики устройства
зависят
от
модели
используемого
микроконтроллера.
Это
касается
совместимости с дополнительными компонентами.
Программный код записывается на саму плату, благодаря встроенному
в процессор программатору. Однако, проект может выполняться с
компьютера, используя проводные или беспроводные источники передачи
данных.
Arduino обладает открытой архитектурой, что позволяет сторонним
разработчикам полностью копировать систему. Несмотря на высокую
конкуренцию, Arduino — самое популярное аппаратно-программное средство.
Это достигается благодаря простоте с многофункциональностью. Основные
преимущества
системы
над
сторонними
аналогами
заключаются
в
следующем:
 плата обладает встроенным программатором, что позволяет
использовать систему без дополнительного подключения дешифратора и
компилятора;
 программная часть построена на базе C/C++, что делает её простой в
использовании и изучении; наличие библиотеки готовых проектов и чертежей
CAD, доступных для свободного использования;
30
 для сбора устройства не требуется пайка, компоненты соединяются
при помощи специальной макетной доски, перемычек и проводов;
 возможность автономной работы расширяет сферу применения
устройства;
 наличие версии для работы с популярной мобильной операционной
системой Android;
 большое количество дополнительных модулей как от разработчика,
так и от сторонних производителей.
Для работы разрабатываемого проекта необходимо написать и загрузить
в Arduino скетч. Скетч (sketch) — программа, написанная специально для
аппаратно-программной платформы Arduino. Для выполнения данного пункта
необходимо
следующее:
Arduino;
USB-кабель
Type-A;
устройство,
работающее на ОС Windows [33].
Небольшая цена, доступность модулей и открытая база данных помогут
в реализации проекта. Готовый проект может быть, как автономным, так и
переносным.
Наличие
портативных
аккумуляторов
и
беспроводных
источников передачи данных способствуют созданию расширенной сети из
группы плат и компьютеров.
Доступный язык программирования обладает возможностью установки
дополнительных компонентов и библиотек. Модули добавляют возможность
работы с Java.
3.1.1 Отладочный комплект Arduino Uno R3
Arduino Uno R3 (Рисунок 3.1) - это устройство на основе
микроконтроллера ATmega328. В его состав входит все необходимое для
удобной работы с микроконтроллером [34]:
 14 цифровых входов/выходов (из них 6 могут использоваться в
качестве ШИМ-выходов),
31
 6 аналоговых входов, кварцевый резонатор на 16 МГц, разъем USB,
разъем питания, разъем для внутрисхемного
 программирования (ICSP) и кнопка сброса. Для начала работы с
устройством достаточно просто подать питание от AC/DC-адаптера или
батарейки, либо подключить его к компьютеру посредством USB-кабеля.
Рисунок 3.1 – Arduino Uno R3
В отличие от всех предыдущих плат Arduino, Uno в качестве
преобразователя интерфейсов USB-UART использует микроконтроллер
ATmega16U2 (ATmega8U2 до версии R2) вместо микросхемы FTDI.
Напряжение внешнего источника питания может быть в пределах от 6
до 20 В. Однако, уменьшение напряжения питания ниже 7 В приводит к
уменьшению напряжения на выводе 5V, что может стать причиной
нестабильной работы устройства. Использование напряжения больше 12 В
может приводить к перегреву стабилизатора напряжения и выходу платы из
строя. С учетом этого, рекомендуется использовать источник питания с
напряжением в диапазоне от 7 до 12 В.
Ниже перечислены выводы питания, расположенные на плате:
1. VIN. Напряжение, поступающее в Arduino непосредственно от
внешнего источника питания (не связано с 5В от USB или другим
32
стабилизированным напряжением). Через этот вывод можно как подавать
внешнее питание, так и потреблять ток, когда устройство запитано от
внешнего адаптера.
2. 5V. На вывод поступает напряжение 5В от стабилизатора
напряжения на плате, вне независимости от того, как запитано устройство: от
адаптера (7 - 12В), от USB (5В) или через вывод VIN (7 - 12В). Запитывать
устройство через выводы 5V или 3V3 не рекомендуется, поскольку в этом
случае не используется стабилизатор напряжения, что может привести к
выходу платы из строя.
3. 3V3. 3.3В, поступающие от стабилизатора напряжения на плате.
Максимальный ток, потребляемый от этого вывода, составляет 50 мА.
4. GND. Выводы земли.
5. IOREF. Этот вывод предоставляет платам расширения информацию
о рабочем напряжении микроконтроллера Arduino. В зависимости от
напряжения, считанного с вывода IOREF, плата расширения может
переключиться на соответствующий источник питания либо задействовать
преобразователи уровней, что позволит ей работать как с 5В, так и с 3.3Вустройствами.
Объем флеш-памяти ATmega328 составляет 32 КБ (из которых 0.5 КБ
используются загрузчиком). Микроконтроллер также имеет 2 КБ памяти
SRAM и 1 КБ EEPROM (из которой можно считывать или записывать
информацию с помощью библиотеки EEPROM).
С использованием функций pinMode(), digitalWrite() и digitalRead()
каждый из 14 цифровых выводов может работать в качестве входа или выхода.
Уровень напряжения на выводах ограничен 5 В. Максимальный ток, который
может отдавать или потреблять один вывод, составляет 40 мА. Все выводы
сопряжены с внутренними подтягивающими резисторами (по умолчанию
отключенными) номиналом 20-50 кОм. Помимо этого, некоторые выводы
Arduino могут выполнять дополнительные функции:
33
Последовательный интерфейс: выводы 0 (RX) и 1 (TX). Используются
для получения (RX) и передачи (TX) данных по последовательному
интерфейсу. Эти выводы соединены с соответствующими выводами
микросхемы ATmega8U2, выполняющей роль преобразователя USB-UART.
Внешние прерывания: выводы 2 и 3. Могут служить источниками
прерываний, возникающих при фронте, спаде или при низком уровне сигнала
на этих выводах.
ШИМ: выводы 3, 5, 6, 9, 10 и 11. С помощью функции analogWrite()
могут выводить 8-битные аналоговые значения в виде ШИМ-сигнала.
Интерфейс SPI: выводы 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). С
применением библиотеки SPI данные выводы могут осуществлять связь по
интерфейсу SPI.
В Arduino Uno есть 6 аналоговых входов (A0 - A5), каждый из которых
может представить аналоговое напряжение в виде 10-битного числа (1024
различных значения).
По умолчанию, измерение напряжения осуществляется относительно
диапазона от 0 до 5 В. Тем не менее, верхнюю границу этого диапазона можно
изменить, используя вывод AREF и функцию analogReference(). Помимо
этого, некоторые из аналоговых входов имеют дополнительные функции:
1. TWI. Вывод A4 или SDA и вывод A5 или SCL. С использованием
библиотеки Wire данные выводы могут осуществлять связь по интерфейсу
TWI.
2. AREF. Опорное напряжение для аналоговых входов. Может
задействоваться функцией analogReference().
3. Reset. Формирование низкого уровня (LOW) на этом выводе
приведет к перезагрузке микроконтроллера. Обычно этот вывод служит для
функционирования кнопки сброса на платах расширения.
Arduino Uno предоставляет ряд возможностей для осуществления связи
с компьютером, еще одним Arduino или другими микроконтроллерами. В
ATmega328 имеется приемопередатчик UART, позволяющий осуществлять
34
последовательную связь посредством цифровых выводов 0 (RX) и 1 (TX).
Микроконтроллер
ATmega16U2
на
плате
обеспечивает
связь
этого
приемопередатчика с USB-портом компьютера, и при подключении к ПК
позволяет Arduino определяться как виртуальный COM-порт. Прошивка
микросхемы 16U2 использует стандартные драйвера USB-COM, поэтому
установка внешних драйверов не требуется. На платформе Windows
необходим только соответствующий .inf-файл. В пакет программного
обеспечения Arduino входит специальная программа, позволяющая считывать
и отправлять на Arduino простые текстовые данные. При передаче данных
через микросхему-преобразователь USB-UART во время USB-соединения с
компьютером, на плате будут мигать светодиоды RX и TX. (При
последовательной передаче данных посредством выводов 0 и 1, без
использования USB-преобразователя, данные светодиоды не задействуются).
Библиотека SoftwareSerial позволяет реализовать последовательную
связь на любых цифровых выводах Arduino Uno. В микроконтроллере
ATmega328 также реализована поддержка последовательных интерфейсов I2C
(TWI) и SPI. В программное обеспечение Arduino входит библиотека Wire,
позволяющая упростить работу с шиной I2C. Для работы с интерфейсом SPI
используется библиотека SPI.
Arduino Uno программируется с помощью программного обеспечения
Arduino. Для этого из меню Tools → Board необходимо выбрать "Arduino Uno"
с микроконтроллером, соответствующим вашей плате.
ATmega328 в Arduino Uno выпускается с прошитым загрузчиком,
позволяющим
загружать
в
микроконтроллер
новые
программы
без
необходимости использования внешнего программатора. Взаимодействие с
ним осуществляется по оригинальному протоколу STK500.
Тем не менее, микроконтроллер можно прошить и через разъем для
внутрисхемного программирования ICSP (In-Circuit Serial Programming), не
обращая внимания на загрузчик.
35
Исходный код прошивки микроконтроллера ATmega16U2 (или 8U2 на
платах версии R1 и R2) находится в свободном доступе. Прошивка
ATmega16U2/8U2 включает в себя DFU-загрузчик (Device Firmware Update),
позволяющий обновлять прошивку микроконтроллера. Для активации режима
DFU необходимо:
На платах версий R2 и выше - для упрощения перехода в режим DFU
присутствует
резистор,
подтягивающий
к
земле
линию
HWB
микроконтроллера 8U2/16U2.
После перехода в DFU-режим для загрузки новой прошивки можно
использовать программное обеспечение Atmel's FLIP (для Windows) или DFU
programmer (для Mac OS X и Linux). Альтернативный вариант - прошить
микроконтроллер через разъем для внутрисхемного программирования ISP с
помощью внешнего программатора, однако в этом случае DFU-загрузчик
затрется.
Чтобы каждый раз перед загрузкой программы не требовалось нажимать
кнопку сброса, Arduino Uno спроектирован таким образом, который позволяет
осуществлять его сброс программно с подключенного компьютера. Один из
выводов ATmega8U2/16U2, участвующий в управлении потоком данных
(DTR), соединен с выводом RESET микроконтроллера ATmega328 через
конденсатор номиналом 100 нФ. Когда на линии DTR появляется ноль, вывод
RESET также переходит в низкий уровень на время, достаточное для
перезагрузки микроконтроллера. Данная особенность используется для того,
чтобы можно было прошивать микроконтроллер всего одним нажатием
кнопки в среде программирования Arduino. Такая архитектура позволяет
уменьшить таймаут загрузчика, поскольку процесс прошивки всегда
синхронизирован со спадом сигнала на линии DTR.
Однако эта система может приводить и к другим последствиям. При
подключении Uno к компьютерам, работающим на Mac OS X или Linux, его
микроконтроллер будет сбрасываться при каждом соединении программного
обеспечения с платой. После сброса на Arduino Uno активизируется загрузчик
36
на время около полсекунды. Несмотря на то, что загрузчик запрограммирован
игнорировать посторонние данные (т.е. все данные, не касающиеся процесса
прошивки новой программы), он может перехватить несколько первых байт
данных из посылки, отправляемой плате сразу после установки соединения.
Соответственно, если в программе, работающей на Arduino, предусмотрено
получение от компьютера каких-либо настроек или других данных при первом
запуске, убедитесь, что программное обеспечение, с которым взаимодействует
Arduino, осуществляет отправку спустя секунду после установки соединения.
На плате Uno существует дорожка (отмеченная как "RESET-EN"),
разомкнув
которую,
можно
отключить
автоматический
сброс
микроконтроллера. Для повторного восстановления функции автоматического
сброса необходимо спаять между собой выводы, расположенные по краям
этой дорожки. Автоматический сброс также можно выключить, подключив
резистор номиналом 110 Ом между выводом RESET и 5 В.
В Arduino Uno есть восстанавливаемые предохранители, защищающие
USB-порт компьютера от коротких замыканий и перегрузок. Несмотря на то,
что
большинство
компьютеров
имеют
собственную
защиту,
такие
предохранители обеспечивают дополнительный уровень защиты. Если от
USB-порта потребляется ток более 500 мА, предохранитель автоматически
разорвет соединение до устранения причин короткого замыкания или
перегрузки.
Максимальная длина и ширина печатной платы Uno составляет 6.9 см и
5.4 см соответственно, с учетом разъема USB и разъема питания,
выступающих за пределы платы. Четыре крепежных отверстия позволяют
прикреплять плату к поверхности или корпусу. Расстояние между цифровыми
выводами 7 и 8 не кратно традиционным 2.54 мм и составляет 4 мм.
3.1.2 Датчик освещенности BH1750FVI
BH1750FVI  цифровой датчик окружающего (рассеянного) света [35].
Датчик общается с микроконтроллером по I2С протоколу. Этот датчик хорошо
37
подходит для регулирования подсветки ЖК (TFT, LCD, LED) в зависимости
от
освещенности
окружающего
пространства.
Датчик
обладает
чувствительностью от 1 до 65535 люкс (16 бит). (Рисунок 3.2).
Рисунок 3.2 – Цифровой датчик света BH1750FVI
Датчик типа BH11750FVI – один из самых распространенных в
современной электронике. Его преимущество в цифровом интерфейсе,
который позволяет измерять освещенность в определенных единицах
измерения и возможности работать с микроконтроллером по протоколу I 2С.
Малый размер датчика делает его незаменимым в современной бытовой
электронике.
В качестве чувствительного элемента датчика BH11750FVI выступает
фотодиод (BH1750), приемник оптического излучения, который улавливает
свет и преобразует его в электрический сигнал. В зависимости от световой
активности изменяется выходной токовой сигнал на микроконтроллер,
который и регулирует уровень подсветки дисплея. Тот же принцип
используется и в другой современной технике: например, планшетных
компьютерах, цифровых камерах, а также в промышленности, когда
автоматическое регулирование технологического процесса связано с уровнем
световой активности.
38
С помощью фотодатчика типа BH11750FVI, включенного в САР
(система автоматического регулирования), можно контролировать, например,
уровень жидких и сыпучих продуктов в светопроницаемых емкостях. Датчик
устанавливается напротив источника света и улавливает его фотоны. Как
только уровень продукта перекрывает световой поток, система автоматически
включает сигнализацию максимального уровня и прекращает подачу
продукта.
Использование схемы на основе датчика BH1750 также возможно и в
тепличном хозяйстве, когда необходимо круглосуточное поддержание
оптимального светового режима. САР в этом случае настраивается таким
образом, что по мере уменьшения естественного освещения пропорционально
увеличивается мощность ламп искусственного света.
Электрические характеристики:
Напряжение питания ........................................................................ 2,4 В – 3,6 В
Ток потребления ...................................................................................... 120 мкА
Ток потребления в спящем режиме ....................................................... 0,01 мкА
Точность в режиме низкого разрешения ...................................................... 4 Лк
Точность в режиме высокого разрешения .................................................... 1 Лк
Период измерения в режиме низкого разрешения ..................................... 16 мс
Период измерения в режиме высокого разрешения ................................. 120 мс
Измеряемая длина волны ........................................................................... 560 нм
АЦП ............................................................................................................ 16 Бит
Высокое разрешение ............................................................................... до 0,5 Лк
Фильтрация световых шумов .................................................................. 50/60 Гц
3.1.3 Плата расширения Trema Shield
Trema Shield - это плата расширения, которая упрощает процесс
подключения модулей к Arduino [36]. Использование Trema Shield избавляет
от необходимости пайки проводов (например, питания) при подключении
39
нескольких модулей к Arduino, упрощает процесс создания устройств
(Рисунок 3.3).
Рисунок 3.3 – Плата расширения Trema Shield
Множество датчиков имеют всего три вывода (два - питания и один
информационный). У Arduino много информационных выводов и с их
подключением к датчикам сложностей не возникает, а с выводами питания всё
гораздо хуже, на плате Arduino всего два вывода 5 V и три вывода GND. Значит
без пайки или макетных плат, можно подключить только два модуля.
Некоторые используют логические уровни на информационных
выводах Arduino для их использования в качестве выводов питания, но это
сильно нагружает выводы и может вывести их из строя.
На плате Trema Shield возле каждого информационного вывода
находятся
два вывода питания
(VCC и
GND) значит количество
подключённых модулей, без пайки и «скрутки» проводов, может совпадать с
количеством информационных выводов Arduino.
Помимо обычных (цифровых и аналоговых) выводов, на плате Trema
Shield имеются колодки аппаратных шин I2C и UART (Serial) для подключения
соответствующих модулей [37]. Если Вам нужно подключить несколько
модулей к шине I2C можно воспользоваться Trema I2C Hub (Рисунок 3.4).
40
Рисунок 3.4 – Плата расширения Trema I2C Hub
Trema Shield имеет макетную область, состоящую из сетки контактных
отверстий. Крайние контактные отверстия соединены с питанием или
информационными выводами, в соответствии с нанесёнными обозначениями.
Предположим Вы собрали устройство, подключив несколько модулей
проводами к Trema Shield. Вы хотите часто использовать собранное
устройство, но Вам мешает куча проводов и «висячие» модули. Тогда можно
припаять все модули к центральным отверстиям Trema Shield соединив их
(припаивая провода) к нужным крайним отверстиям.
На плате Trema Shield имеются:
 Колодка из 14 цифровых выводов (D) с выводами шины питания
(VCC и GND), для подключения цифровых модулей через Trema Shield к
Arduino.
 Колодка из 6 аналоговых выводов (S) с выводами шины питания
(VCC и GND), для подключения как цифровых, так и аналоговых модулей,
через Trema Shield к Arduino.
 Колодка аппаратной шины I2C из 4 выводов (SDA, SCL, GND, Vcc)
для подключения I2C модулей через Trema Shield к Arduino.
 Колодка аппаратной шины UART (Serial) из 4 выводов (TX, RX,
GND, Vcc) для подключения UART модулей через Trema Shield к Arduino.
 Кнопка RESET для перезагрузки Arduino.
 Два светодиода, «ON» - информирует о наличии питания, «L» информирует о наличии высокого логического уровня на выводе D13.
41
Trema Shield устанавливается на Arduino, а модули подключаются
проводами к колодкам Trema Shield.
3.1.4 Символьный дисплей LCD1602 IIC/I2C
Символьный
дисплей
LCD1602
I2C
с
синей
подсветкой
-
жидкокристаллический дисплей (Liquid Crystal Display) экран которого
способен отображать одновременно до 32 символов (16 столбцов, 02 строки)
[38].
Дисплей
оснащён
платой
конвертером
для
преобразования
параллельного 8-битного интерфейса дисплея в шину I2C по которой он и
подключается к Arduino по адресу 0x3F или 0x27.
Рисунок 3.5 – Символьный дисплей LCD1602 IIC/I2C
Символьный дисплей построен на базе ЖК дисплея типа STN (Super
Twisted Nematic) под управлением контроллера HD44780 и имеет синхронный
параллельный 8-битный интерфейс, подключённый к конвертеру для
преобразования параллельного интерфейса дисплея в шину I2C по которой он
и подключается к Arduino. Наличие конвертера облегчает подключение
дисплея к Arduino, т.к. шина I2C использует всего 2 вывода для передачи
данных и 2 вывода питания. Дисплей оснащён светодиодной подсветкой
синего цвета. Дисплей способен одновременно отображать до 32 символов (16
столбцов, 02 строки) от чего и произошло название дисплея: LCD1602.
Контроллер HD44780 имеет ПЗУ в которой хранятся цифры, символы
латиницы и некоторые иероглифы японского языка, для их отображения на
42
дисплее. Отсутствующие символы, в т.ч. и символы кириллицы, можно
загружать в память ОЗУ контроллера, для вывода на дисплей надписей на
Русском языке или нестандартных символов (например, «смайликов»).
Дисплей подключается к аппаратной шине I2C Arduino. Самый простой
вариант подключения дисплея к Arduino - по 4-проводному шлейфу через
Trema Shield, так как на нём имеется подписанная колодка шины I2C (рисунок
слева). Если Вы подключаете дисплей напрямую, то выводы GND и VCC
дисплея подключаются к напряжению 5 В, а выводы SDA и SCL к аппаратной
шине I2C (у Arduino UNO вывод SDA = A4, а вывод SCL = A5). На рисунке
справа показано, как можно подключить дисплей к специальным выводам
шины I2C Arduino UNO (эти выводы дублируют выводы A4 и A5).
3.2 Разработка макета ДСС на базе Arduino
Для разработки макета ДСС необходимы следующие элементы:
Arduino UNO R3 ............................................................................................ 1 шт.
Датчик освещённости GY-30 на базе чипа BH1750 ................................... 1 шт.
LCD дисплей LCD1602 IIC/I2C .................................................................... 1 шт.
Trema Shield ................................................................................................... 1 шт.
Trema-модуль I2C Hub ................................................................................. 1 шт.
Светодиодный Trema-модуль (красный, оранжевый и зеленый) .............. 3 шт.
Шлейф «мама-мама» для шины I2С............................................................. 3 шт.
Шлейф «папа-мама» для подключения LED Trema-модулей .................... 3 шт.
Для реализации проекта необходимо установить библиотеки:
 библиотека BH1750 (для подключения датчика освещённости);
 библиотека LiquidCrystal_I2C_V112 (для подключения дисплея
LCD1602 по шине I2C);
 библиотека iarduino_I2C_connect (для соединения нескольких
устройств по шине I2C);
43
 библиотека Arduino_PWM_V5 (для использования ШИМ-PWM).
На шине I2С находятся 3 устройства: 1 Arduino, 1 LCD дисплей и 1
датчик освещённости GY-30. Все устройства шины I2C соединены через
Trema I2C Hub. Для подключения Arduino используются аппаратные выводы
шины I2C (Рисунок 3.6). Подключение устройств производится шлейфами
«мама-мама».
Рисунок 3.6 – Подключение дисплея LCD1602 IIC/I2C и датчика
освещённости GY-30 к Trema Shield
44
На Arduino UNO R3 устанавливается плата расширения Trema Shield. Её
установка упрощает процесс подключения модулей к Arduino и избавляет от
необходимости пайки проводов.
К выводам платы расширения Trema Shield, которая установлена на
Arduino при помощи шлейфов «папа-мама» подключаются LED Trema-модули
в следующей последовательности (рисунок 3.7):
 к цифровому выводу D11 Trema светодиод красного свечения;
 к цифровому выводу D10 Trema светодиод оранжевого свечения;
 к цифровому выводу D9 Trema светодиод зеленого свечения.
Рисунок 3.7 – Разработанный макет ДСС на базе Arduino
На шине I2C не используются дополнительные подтягивающие
резисторы (для линий SDA и SCL), так как они интегрированы в LDC I2C
дисплее.
Разработка макета ДСС возможна и на одноплатном компьютере
Raspberry Pi, но так как цена её выше в несколько раз и нет необходимости
высокой вычислительной мощности, этот вариант был отклонен.
После сборки макета необходимо разработать алгоритм работы макета и
скетч.
45
3.3 Разработка алгоритма управления яркостью и программы
Первым делом при написании скетча подключаются библиотеки для
корректной работы периферии:
// #include <Wire.h>
// подключаем библиотеку
для работы с шиной I2C (для LCD дисплея);
#include <BH1750.h>
// подключаем библиотеку
для работы с цифровым датчиком освещенности GY-30;
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
// подключаем библиотеку
для работы с LCD дисплеем;
#include <Arduino_PWM_V5>
// подключаем библиотеку
для использования ШИМ-PWM;
Объявляем переменные и константы, а также задаем номера портов, к
которым будут подключаться устройства, это выглядит следующим образом:
int GPin = 13;
//
Светодиод,
//
Светодиод,
//
Светодиод,
подключенный к вход/выходу 13
int YPin = 12;
подключенный к вход/выходу 12
int RPin = 11;
подключенный к вход/выходу 11
int switchPin = 7;
// Кнопка, подключенная к
вход/выходу 7
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);
// объявляем переменную
для работы с LCD дисплеем, указывая параметры дисплея (адрес I2C = 0x27,
количество столбцов = 16, количество строк = 2);
BH1750 sensor;
// объявляем переменную
для работы с цифровым датчиком освещенности;
46
uint16_t
LUM_CUR,
LUM_MIN,
LUM_MAX;
//
объявляем
переменные показаний датчика в Люксах, за время измерений 0,5 секунд
(текущее, минимальное и максимальное);
uint8_t LUM_W, LUM_BLINC;
// объявляем переменные
рассчитываемых показаний (мощность лампы накаливания и коэффициент
освещения);
uint32_t SEC_START = 0;
// количество микросекунд
на начало измерений;
Для работы датчика освещенности и предачи полученных значений на
дисплей необходимо инициируем датчик на измерение силы света с точностью
4 Lx и периодом измерений 16 мс:
void setup(){
sensor.begin(BH1750_CONTINUOUS_LOW_RES_MODE);
//
инициируем датчик на измерение силы света;
lcd.init();
// инициируем LCD дисплей
lcd.backlight();
// включаем подсветку LCD
дисплея
lcd.setCursor(0, 0);
// устанавливаем курсор в
позицию: столбец 0, строка 0
lcd.print(F("Svetofor "));
// выводим текст Svetofor
delay(2000);
// ждём 2 секунды
}
Значение освещённости в люксах читается из регистра данных датчика,
по шине I2C, вызовом функции readLightLevel(). Датчик обновляет значение
своего регистра данных, с периодом, зависящим от режима работы датчика.
Режим работы устанавливается при инициализации датчика, передачей
соответствующего параметра в функцию begin(). Список допустимых
47
параметров описан в файле BH1750.h подключённой библиотеки. Так как нам
важен коэффициент освещения, то при инициализации чипа выбран режим
BH1750_CONTINUOUS_LOW_RES_MODE
с
максимально
допустимой
частотой измерений освещённости:
void loop(){
LUM_MAX = 0;
//
устанавливаем
//
устанавливаем
//
устанавливаем
минимальное для максимального значения;
LUM_MIN = 65535;
максимальное для минимального значения;
LUM_W = 5;
минимальное значение освещенности в Вт
SEC_START = micros();
//
сохраняем
количество
микросекунд в момент старта функции;
Чтение данных из датчика происходит в цикле while(){...} который
выполняется в течении 0,5 секунд. Из всех полученных значений
определяются только два: максимальное и минимальное. Максимальное
значение соответствует реальной освещённости, а разница между этими
значениями соответствует коэффициенту. Например, если минимальное
значение равно максимальному, то коэффициент освещения = 0%; если
минимальное значение в два раза меньше максимального, то коэффициент
освещения = 50%; если минимальное значение равно 0, то коэффициент
освещения = 100%
Так как на измерение освещённости (обновление регистра данных)
датчик тратит до 16 мс, то чем выше освещенность, тем меньше разница между
полученными максимальным и минимальным значениями освещенности, тем
меньше коэффициент освещения.
48
while(SEC_START>(micros()-500000)&&SEC_START<micros()){
//
если прошло меньше 0,5 сек и не произошло переполнение micros(), то ...
// считываем показания с
LUM_CUR = sensor.readLightLevel();
датчика освещенности
if(LUM_MIN>LUM_CUR){LUM_MIN=LUM_CUR;}
// обновляем
минимальное значение
if(LUM_MAX<LUM_CUR){LUM_MAX=LUM_CUR;}
// обновляем
максимальное значение
// ждём 5 мс (датчик не
delay(5);
сможет обновить показания регистра данных быстрее)
}
После обработки данных с датчика освещенности, они выводятся на
дисплей.
LUM_BLINC
if(LUM_BLINC>0
if(LUM_BLINC<100
=
map(LUM_MIN,
&&
&&
0,
LUM_MAX,
100,
0);
LUM_BLINC<30){LUM_BLINC--;}else
LUM_BLINC>70){LUM_BLINC++;}
//Определяем коэффициент освещения
lcd.setCursor(0, 0); lcd.print(LUM_MAX); lcd.print(F(" Lx ")); //Выводим
показания датчика в Ваттах //Выводим показания датчика в Люксах
lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(F("Blinking = ")); lcd.print(LUM_BLINC);
lcd.setCursor(15, 1); lcd.print(F("%"));
}
lcd.clear();
void setup(void)
// процедура setup;
{
49
Для управления яркость светодиодов во второй главе выпускной
квалификационной работы был выбран ШИМ. Его программная реализация
выглядит следующим образом:
Serial.begin(9600);
//
открытие
последовательного порта, установление скорости 9600 бит, для передачи
информации на серийный монитор
}
void loop(void) { //
photocellReading = analogRead(photocellPin); // считывание значения;
Serial.print("Analog reading = ");
//
вывод
полученного
значения;
Serial.println(photocellReading); // вывод аналоговых значений с
фотодатчика, светодиоды горят ярче, если уровень освещенности на датчике
увеличивается, это означает, что необходимо инвертировать считываемые
значения от 0-1023 к 1023-0;
photocellReading = 1023 - photocellReading; //теперь необходимо
преобразовать диапазон 0-1023 в 0-255, так как такой диапазон использует
analogWrite;
LEDbrightness = map(photocellReading, 0, 1023, 0, 255);
analogWrite(LEDpin, LEDbrightness);
delay(100);
}
Вызов функции analogWrite() с масштабом 0 – 255 означает, что
значение analogWrite(255) будет соответствовать 100% рабочему циклу
(постоянное включение 5 В), а значение analogWrite(127) – 50% рабочему
циклу (Рисунок 3.8).
50
Следующим шагом следует задать значения и состояния работы кнопки
и состояние светофора. Так же в этом блоке описывается значение переменной
цикла и переменная хранящая значение времени:
boolean lastButton = LOW; // Устанавливаем последнее значение кнопки
– выключено;
boolean currentButton = LOW;
// Устанавливаем текущее
значение кнопки – включено;
boolean ledOn = false;
//
Состояние
светофора:
false - выключен (мигает жёлтый), true – включен;
boolean yellowOn = LOW;
// Мигающий жёлтый.
unsigned long loopTime;
//
Вспомогающая
переменная для цикла;
unsigned long currentTime;
//
Переменная
хранящая
текущее значение времени;
Рисунок 3.8  Реализация функции analogWrite()
Далее устанавливаем 3 порта как выход для светодиодов и один как вход
для отслеживания кнопки:
51
void setup() {
pinMode(GPin, OUTPUT);
//
устанавливает
режим
//
устанавливает
режим
работы – выход;
pinMode(YPin, OUTPUT);
работы – выход;
pinMode(RPin, OUTPUT); // устанавливает режим работы - выход
pinMode(switchPin, INPUT);
//
устанавливает
режим
//
считываем
время,
работы – вход;
currentTime = millis();
прошедшее с момента запуска программы;
loopTime = currentTime;
}
Функция для лучшего отрабатывания нажатия на кнопку работает
следующим образом: сначала ждёт установившегося значения, а затем
передаёт его в программу:
boolean debounce(boolean last)
// Функция антидребезга,
принимает предыдущее значение кнопки и возвращает текущее состояние
кнопки с подавлением дребезга контактов;
{
boolean current = digitalRead(switchPin);
//считываем
состояние
кнопки;
if(last != current)
//если есть изменения;
{
delay(5); //ждем 5мс;
current = digitalRead(switchPin);
//считываем
состояние
кнопки;
}
52
return current;
//возвращаем,
считанное
состояние кнопки;
}
void loop() {
currentButton = debounce(lastButton);
if(lastButton == LOW && currentButton == HIGH) // При нажатии на
кнопку включаем\выключаем светофор;
{
ledOn = !ledOn;
}
lastButton = currentButton;
currentTime = millis();
Разрабатываемый макет светофора имеет два цикла работы первый цикл
описывает действия при выключенном светофоре:
if(currentTime >= (loopTime + 500) && ledOn == false)
{
yellowOn = !yellowOn; // Инвертируем значение переменной;
digitalWrite(GPin, LOW);
// Горит зелёный, высокий
уровень;
digitalWrite(YPin, yellowOn);
digitalWrite(RPin, LOW);
loopTime = currentTime;
}
Цикл действий при включенном светофоре выглядит следующим
образом:
if(ledOn == true)
53
{
if(currentTime >= loopTime && currentTime < (loopTime + 10000))
{
digitalWrite(GPin, HIGH);
// Горит зелёный, высокий
уровень;
digitalWrite(YPin, LOW);
// Не горит желтый, низкий уровень;
digitalWrite(RPin, LOW);
// Не горит красный, низкий уровень;
}
if(currentTime >= (loopTime + 10000) && currentTime < (loopTime +
10500))
// Зелёный начинает мигать
{
digitalWrite(GPin, LOW);
}
if(currentTime >= (loopTime + 10500) && currentTime < (loopTime +
11000)) {
digitalWrite(GPin, HIGH);
}
if(currentTime >= (loopTime + 11000) && currentTime < (loopTime +
11500)) {
digitalWrite(GPin, LOW);
}
if(currentTime >= (loopTime + 11500) && currentTime < (loopTime +
12000)) {
digitalWrite(GPin, HIGH);
}
if(currentTime >= (loopTime + 12000) && currentTime < (loopTime +
12500)) {
digitalWrite(GPin, LOW);
}
54
if(currentTime >= (loopTime + 12500) && currentTime < (loopTime +
13000)) {
digitalWrite(GPin, HIGH);
}
if(currentTime >= (loopTime + 13000) && currentTime < (loopTime +
13500)) {
digitalWrite(GPin, LOW);
}
if(currentTime >= (loopTime + 13500) && currentTime < (loopTime +
1400)) {
digitalWrite(GPin, HIGH);
}
if(currentTime >= (loopTime + 14000) && currentTime < (loopTime +
14300)) {
digitalWrite(GPin, LOW);
}
if(currentTime >= (loopTime + 14300) && currentTime < (loopTime +
// Загорается жёлтый
17500))
{
digitalWrite(YPin, HIGH);
}
if(currentTime >= (loopTime + 17500) && currentTime < (loopTime +
27500))
// Загорается красный
{
digitalWrite(YPin, LOW);
digitalWrite(RPin, HIGH);
}
if(currentTime >= (loopTime + 27500) && currentTime < (loopTime +
30500))
// Загорается красный с
жёлтым
55
{
digitalWrite(YPin, HIGH);
if(currentTime >= (loopTime + 30500))
// Загорается зелёный
{
digitalWrite(GPin, HIGH);
digitalWrite(YPin, LOW);
digitalWrite(RPin, LOW);
loopTime = currentTime;
}
При снятии питания, макет светофора выключается.
3.4 Результаты макетирования
В
результате
проведенного
макетирования
были
выполнены
поставленные задачи в области управления яркостью свечения светодиодов в
зависимости от освещения с использованием ШИМ.
Было доказано, что энергопотребление светодиодов макета ДСС можно
регулировать в зависимости от внешней освещенности. Проверка работы
датчика освещенности производилась днем. Для получения изменения разного
уровня освещения использовалась коробка с крышкой, сдвигая которую
можно было регулировать уровень освещенности.
На LCD дисплее выводились полученные значения освещенности
(Рисунок 4.9), так же эти значения можно было увидеть, открыв серийный
монитор, открыв последовательный порт для дебагинга Serial.begin(9600)
(Рисунок 4.10).
56
Рисунок 4.9 – Уровень освещенности от лампы накаливая в 100 Вт
Рисунок 4.10 – Уровень освещенности при различных
положениях крышки коробки
На рисунке 4.11 приведена осциллограмма на которой показан ШИМ
сигнал желтого светодиода с коэффициентом заполнения 0,85
Рисунок 4.11 – Осциллограмма работы желтого светодиода на макете
57
3.5 Выводы по главе 3
Из выше проведенного макетирования можно делать вывод, что если
сохранить частоту импульсов неизменной, но при этом снижать или
увеличивать время использования светодиода за один такт, то можно
управлять мощностью, потребляемой светодиодом, и, в конечном итоге, —
яркостью его свечения. Человеческий глаз воспринимает мигающие с
большой частотой светодиоды так, как будто они постоянно включены.
Кроме того, мы воспринимаем яркость быстро пульсирующего света как
промежуточную между пиковой и средней. Это означает, что интенсивные
импульсы с низким рабочим циклом выглядят ярче. Благодаря таким
особенностям восприятия можно обеспечить свечение, которое кажется более
ярким, задействовав ШИМ.
Применение фотоэлемента позволит более точно и энергоэффективно
управлять яркость дорожного светодиодного светофора, так как он позволит
управлять яркость светодиодов ДСС в зависимости освещенности.
58
ГЛАВА 4 Разработка прототипа ДСС с низким энергопотреблением
4.1 Разработка схемы электрической структурной ДСС
На рисунке 4.1 представлена схема электрическая структурная
прототипа ДСС с низким энергопотреблением.
Рисунок 4.1 – Схема электрическая структурная прототипа
ДСС с низким энергопотреблением
Блок управления светофором это основной блок, который содержит в
себе микроконтроллер с программой работы светофора. Предназначен для
управления режимами свечения, яркостью свечения и отсчета обратного
времени.
Источник питания служит для питания всех элементов светофора на
выходе имеет 12 В которые служат для питания светодиодов в излучателе и
5В предназначенные для питания микроконтроллера и микросхем.
Блок управления яркостью свечения светодиодов предназначен для
сообщения блоку управления светофором какая яркость свечения необходима
59
в данный момент с помощью календарного плана или светочувствительного
датчика.
Блок излучателя состоит из излучателя красного, желтого, зеленого
цвета, а также табло обратного отчёта времени.
4.2 Разработка схемы электрической принципиальной ДСС
Схему электрическую принципиальную ДСС можно разбить на
несколько блоков: блок питания, блок управления светофором, блок
управления яркостью свечения светодиодов и блок излучателя.
Рисунок 4.2 – Схема блока питания
Основными элементами являются блок питания NFM-15-12 [1] (G1)
выдающий на выходе 12 В и микросхема MC7805CD2TG [2] преобразующая
12 В в 5 В которые необходимы для питания микроконтроллера.
60
Рисунок 4.3 – Схема блока управления
Основным элементом является микроконтроллер Atmega 1284-AU [3]
(DD1) он служит для управления секциями светофора, производит обратный
отсчет времени и регулирует яркость свечения светодиодов. Оптопары U1-U3
служат для гальванической развязки микроконтроллера от сети 220 В. По
приходу на транзисторы VT1, VT2 управляющего сигнала с микроконтроллера
зажигаю
определенную
секцию
светофора.
Микросхемы
(DA2-DA4)
ULQ2003D1 [4] представляют из себя транзисторные сборки, по приходу
сигнала с микроконтроллера зажигают определенные сегменты табло отчета
времени.
- Блок управления яркостью свечения светодиодов;
61
Рисунок 4.4 – Схема управления яркостью свечения светодиодов
Светофор имеет два пути регулирования яркости светодиодов:
Первый путь: использование светочувствительного датчика BL1.
Который в зависимости от яркости освещения передает на микроконтроллер
сигнал от 0 до 5 В, в следствии чего микроконтроллер при помощи ШИМ
генерирует импульс определенной ширины график зависимиости представлен
на рисунке 4.5.
62
Рисунок 4.5 – График зависимости напряжения от освещения
Второй путь: программирование микросхемы по суточному плану с
возможностью корректировки времени суток или по восходу/заходу солнца.
Для этого служит Микросхема DS3231SN [5] (DD2) являющаяся часами
реального времени. Оптопара U3 служит для гальванической развязки
микросхемы. G2 это батарея С2032 служащая для запоминания установленных
режимов в случае если пропадет питающее напряжение светофора.
- Блок излучателя
63
Рисунок 4.6 – Схема излучателя
Схема блока излучателей состоит из светодиодов и ограничивающих
резисторов.
4.3 Разработка конструкции ДСС
Светофор дорожный светодиодный состоит из трёх излучателей:
зеленого, красного и жёлтого цвета свечения (Рисунок 4.1). Желтый
излучатель светофора совмещен с табло обратного отсчета времени (ТООВ).
Рисунок 4.6 – Светофор дорожный светодиодный
64
Табло обратного отсчета времени показывает время, оставшееся до
окончания свечения красного или зеленого сигнала светофора. Время
свечения зеленого сигнала светофора отображается цифрами зеленого цвета
свечения, время свечения красного сигнала светофора отображается цифрами
красного цвета свечения.
Светофор имеет встроенный датчик освещенности, позволяющий при
программировании пользователем с помощью ПК изменять яркость свечения
сигналов светофора и табло обратного отсчета времени в зависимости от
внешней освещенности, а также по суточному плану с возможностью
корректировки времени суток или по восходу/заходу солнца. Светофор
комплектуется узлами крепления, позволяющими производить регулировку
его
положения
в
горизонтальной
металлическими
накладными
позволяющими
производить
и
вертикальной
креплениями
установку
на
плоскостях
опору
светофора
в
или
и
консоль,
вертикальном
исполнении.
Светофор
работает
с
любым
типом
дорожного
контроллера.
Применение светофоров совместно с табло обратного отсчета позволяет
снизить количество дорожно-транспортных происшествий. Для настройки
режимов работы необходим переходник USB-UART-001.
Конструктивно светофор состоит из следующих элементов:
- корпуса (Рисунок 4.8);
- печатной платы с установленными на неё светодиодами и другими
элементами (Рисунок 4.9);
- защитного стекла (Рисунок 4.10).
65
Рисунок 4.8 – Корпус ДСС
Рисунок 4.9 – печатной платы с
установленными на неё светодиодами и
другими элементами
Рисунок 4.10 – Защитное стекло
Защитное стекло крепится с помощью четырех алюминиевых профилей
о прижимается к корпусу. Так же они служат основой светофора.
4.4 Выводы по главе 4
- Модель транспортного светофора на светодиодах может работать в
паре с любым типом дорожного контроллера, соответствующего требованиям
ГОСТ 34.401-90.
66
-
Устройство
характеризуется
наличием
плоского
корпуса,
выполненного из алюминиевого профиля особой прочности толщиной 75 мм.
- Светофор отличается легкостью (4 кг) и энергоэффективностью (12 Вт)
рисунок 4.11, может работать в диапазоне температур -60…+60 С.
120
100
Яркость, %
100
80
80
60
60
40
40
20
0
20
0
0
2,4
4,8
7,2
9,6
12
Потребляемая мощность, Вт
Рисунок 4.11 – Зависимость мощности от процента яркости.
- Наличие возможности регулировки яркости позволяет снизить энерго
потребление светофора в темное время суток.
- Система комплектуется специальным крепежом – металлическими
кронштейнами,
обеспечивающими
удобную
регулировку
модели
по
вертикали или горизонтали.
67
Заключение
В выпускной квалификационной работе получены следующие основные
результаты:
1. Проведен анализ состояния дел в предметной области. Показано, что
дорожные светодиодные светофоры имеют низкое энергопотребление по
сравнению с ламповыми на два-три раза и использование датчиков
освещенности позволяет управлять яркостью свечения сигналов светофора и
табло в зависимости от внешней освещенности.
2. Проведён сравнительный анализ вариантов управления яркостью
светодиодной матрицы светофора. Было установлено, что яркостью
светодиодных матриц можно регулировать в широких пределах путём
изменения, проходящего через них тока, в результате чего несколько
изменяется цветовая температура.
3. Проведено моделирование управления яркостью свечения светодиода
на макете. Макетирование показало, что применение фотоэлемента позволит
более точно и энергоэффективно управлять яркость дорожного светодиодного
светофора, так как он позволит управлять яркость светодиодов ДСС в
зависимости освещенности.
4. На основе полученных результатов разработан ДСС который в своём
составе имеет встроенный датчик освещенности, позволяющий при
программировании оператором с помощью ПК изменять яркость свечения
сигналов светофора и табло в зависимости от внешней освещенности или по
суточному плану с возможностью корректировки времени суток.
68
Список использованных источников
1. Федеральный обращения законсигнал от 23 ноября 2009светодиа г. N
261-ФЗ "Об энергосбережении и о методв повышенииситем энергетической
эффективности, и о оптимзац внесении изменений в отдельные красной
законодательныеприменть
акты
Российскойзависмот
Федерации"
(с
изменениями и уровня дополнениямизадной) Система ГАРАНТ. [функци
электронный ресурс] — Режим режим доступаповышени. — URL:
http://baseнапряжеи.garant.ru/12171109/#акты ixzzизменя4c4BGK0QD / (дата
обращения напряжеи 17.06.2017)
2.
ГОСТ
средствафункци
Р
52282
—
организации
зависмот
2004техничск
«Технические
дорожного
обращения
движениябудт.
Светофоры дорожные. помщью Типы и основные параметры. помщью
Общиестенд технические требованиядолжна. Методы испытаний». [изменя
электронныйизбежан ресурс] — Режим проведния доступа. — URL:
http://www.sdd.ru/file_img/sddзадной
_1234176176.секцийpdf
(дата
обращениябудет 17.06.2017)
3. Energy conservation Program: Test procedures for light-emitting diode
lamp, 2012. [Электронный ресурс] (англ.). https://www.federalregister.gov/articles/2012/04/09/2012-8469/energy-conservationprogram-test-procedures-forlight-emitting-diode-lamps (дата обращения: 01.03.2017)
4. Высокоскоростные железные дороги мира. [Электронный ресурс]
http://eriksrailnews.com/archive/hst2.html (дата обращения: 26.01.17)
5. Светофоры мира. [Электронный ресурс] http://www.railsigns.uk/ (дата
обращения: 10.09.14).
6. Обзор светодиодных модулей для светофоров. [Электронный ресурс]
http://www.etrailer.com/TrailerLights/Optronics/STL90AB.html
(дата
обращения: 30.01.15).
69
7. Уральский оптико-механический завод. Екатеринбург [Электронный
ресурс]
.http://uomz.ru/products/izdeliya_dlya_jeleznoy_dorogi/
(дата
обращения: 28.01.15).
8. Пат. 2207745 Российская Федерация, МПК7 H 05 B 37/00, B 61 L 5/18,
G 08 G 1/095. Светодиодный светофор [Текст] / Б.С. Сергеев, С.А. Щиголев,
В.В. Наговицын ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО УрГУПС. – №
2001124300/28; заявл. 30. 08. 01; опубл. 27.06.03, Бюл. № 18.
9. Bullough, J.D. Response to Simulated Traffic Signals Using Light-Emitting
diodes and incandescent sources [Текст] / J.D. Bullough and others // Rensselaer
Polytechnic Institute Record (1724). – 2001. – Р. 39–46. (англ.).
10. Bullough, J.D. Effects of sweeping, color and luminance. Distribution
Response to Automotive Stop Lamps [Текст] / J.D. Bullough // SAE Technical
Paper Series. – 2002 – 01 . (англ.).
11. Nakamura, S. The blue laser diode [Текст] / S. Nakamura, J. Fasol //
Springer, 1997. – 296 p. (англ.).
12. LeMunh, P. Silicon light emitting devices for integrated application
[Электронный
ресурс]
/
P.
LeMunh
//
2003.
–
144
p.
(англ.).
http://www.readbag.com/ (дата обращения: 15.01.2017).
13. Пат. 2236042 Российская Федерация, МПК7 G 08 G 1/095, B 61 L
23/00. Светодиодный светофор [Текст] / Б.С. Сергеев, Е.О. Савельев ;
заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО УрГУПС. – № 2002123011/11;
заявл. 27. 08. 02; опубл. 20.03.04, Бюл. № 25.
14. Пат. 2237292 Российская Федерация, МПК7 G 08 G 1/095, B 61 L
23/00. Светодиодный светофор (Варианты) [Текст] / Б.С. Сергеев, Е.О.
Савельев ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО УрГУПС. – №
2002128718/11; заявл. 25. 10. 02; опубл. 27.09.04, Бюл. № 27.
15. Пат. 2238592 Российская Федерация, МПК7 G 08 G 1/095, B 61 L
23/00. Трехзначный светодиодный светофор [Текст] / Е.О. Савельев, Б.С.
Сергеев ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО УрГУПС. – №
2003108321/11; заявл. 26. 03. 03; опубл. 20.10.04, Бюл. № 29.
70
16. Пат. 2245003 Российская Федерация, МПК7 H 05 B 43/00.
Устройство отображения информации [Текст] / Б.С. Сергеев, Е.О. Савельев ;
заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО УрГУПС. – № 2003136341/28;
заявл. 15. 12. 03; опубл. 20.01.05, Бюл. № 2.
17. Пат. 2249524 Российская Федерация, МПК7 B 61 L 5/18, G 08 G 1/095,
H 05 B 37/02. Регулируемый светодиодный светофор [Текст] / Е.О. Савельев,
Б.С. Сергеев ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО УрГУПС. – № 20031
01005/11; заявл. 1 4. 01 . 03; опубл. 1 0.04.05, Бюл. № 10.
18. Пат. 2237290 Российская Федерация, МПК7 G 08 G 1/095.
Трехзначный светодиодный светофор [Текст] / Е.О. Савельев, Б.С. Сергеев.;
заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО УрГУПС. – №2002123013/11;
заявл. 27.08.02; опубл. 27.09.04, Бюл. № 27.
19. Пат. 2237293 Российская Федерация, МПК7 G 08 G 1/095.
Трехзначный светодиодный светофор [Текст] / Б.С. Сергеев, Е.О. Савельев ;
заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО УрГУПС. – №2002135209/11;
заявл. 24.12.02; опубл. 27.09.04, Бюл. № 27.
20. Светофоры на светодиодах на железных дорогах США [Текст] //
Железные дороги мира. – 2002. – № 7. – С. 68–70.
21. Коняшкин С. В., Ноздрин С. И., Ефимов С. М. Управление яркостью
све-чения секций дорожного светодиодного светофора [Текст] // Сборник статей международной научно-практической конференции «Фундаменталь-ные
проблемы науки» (Казань, 20.06.2017). Стерлитамак: АМИ, 2017. – С.75-80.
22. Сергеев, Б.С. Выбор направлений работ по разработке светодиодных
светофоров [Текст] / Б.С. Сергеев, Е.О. Савельев // Вестник инженеров
электромехаников автотранспорта. – Вып. 1 . – Самара : СамГАПС, 2003. – С.
264–267.
23.
Сергеев,
Б.С.
Повышение
энергетической
эффективности
индикаторных устройств с применением СДМ [Текст] / Б.С. Сергеев, В.В.
Наговицын, Е.О. Савельев // Сб. тез. докл. IV Всероссийской НТК «УССЭ-22»
71
/ Устройства и системы энергетической электроники. – М. : НТФ
«Энергетическая электроника» РАН, 2002. – С. 37–39.
24. Мурашова, М.А. О технических требованиях по рациональному
размещению светосигнальных и осветительных приборов [Текст] / М.А.
Мурашова, О.П. Пинчук, Л.П. Юдин // Вестник ВНИИЖТ. – 1995. – № 6–8. –
С. 15–17.
25. Пат. 2231826 Российская Федерация, МПК7 G 08 G 1/095.
Светодиодный светофор [Текст] / Е.О. Савельев, Б.С. Сергеев ; заявитель и
патентообладатель ФГБОУ ВО УрГУПС. – № 2002126982/09; заявл. 09. 10. 02;
опубл. 27.06.04, Бюл. № 18.
26. Пат. 2333522 Российская Федерация, МПК7 G 08 G 1/095.
Светодиодная лампа [Текст] / Н.Б. Курченкова, Б.С. Сергеев ; заявитель и
патентообладатель ФГБОУ ВО УрГУПС. – №2009123707/11; заявл. 22.06.09;
опубл. 22.09.10, Бюл. № 25.
27. Пат. 2237291 Российская Федерация, МПК7 G 08 G 1/095, B 61 L
23/00. Светодиодный светофор [Текст] / Е.О. Савельев, Б.С. Сергеев ;
заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО УрГУПС. – №2002127692/11;
заявл. 15.10.02; опубл. 27.09.04, Бюл. № 27.
28. EP 2193972 Europaischt PA. Zugsicherungs system / Scmid, Rolf.
Опубл. 09.06.10. (нем.).
29. ШИМ — широтно-импульсная модуляция. [электронный ресурс] —
Режим доступа. — URL: http://www.joyta.ru/7532-shim-shirotno-impulsnayamodulyaciya// (дата обращения 17.06.2017)
30. Гектор Арройо Аналоговое управление яркостью светодиодов
[Текст] // Современная светотехника. – 2012. – № 2. – С. 64-67.
31. Шубина Н.В. Разработка электронных устройств с процессорным
управлением (на примере создания светодиодного экрана) [Текст] / Шубина
Н.В., Егорова Л.Е // Научный журнал «Фундаментальные исследования». –
2014. – № 11. – С. 2625–2629.
72
32. Аванесян Г.Р. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник
/ Г.Р. Аванесян, В.П. Лёвшин. – М.: Машиностроение, 1993. – 256 с.
33. Arduino Uno [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:
http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardUno (дата обращения 17.06.2017)
34. Arduino Uno R3 [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:
http://radiodetalki.narod.ru/pribory/Arduino_Uno_R3.pdf
(дата
обращения
17.06.2017)
35. BH1750FVI [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:
http://cxem.net/izmer/files/izmer154_bh1750fvi-e.pdf
(дата
обращения
17.06.2017)
36. Плата расширения Trema Shield [электронный ресурс] — Режим
доступа.
—
URL:
http://iarduino.ru/shop/expansion-payments/trema-power-
shield.html (дата обращения 17.06.2017)
37. Плата расширения Trema I2C Hub [электронный ресурс] — Режим
доступа. — URL: http://iarduino.ru/shop/Expansion-payments/i2c-hub.html (дата
обращения 17.06.2017)
38. Символьный дисплей LCD1602 IIC/I2C [электронный ресурс] —
Режим доступа. — URL: https://lesson.iarduino.ru/page/urok-4-podklyuchenielcd1602-po-i2c-k-arduino/ (дата обращения 17.06.2017)
39. NFM-15-12 [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:
https://www.chipdip.ru/product/nfm-15-12 (дата обращения 17.06.2017)
40. MC7805CD2TG [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:
https://www.chipdip.ru/product/mc7805cd2tg-1 (дата обращения 17.06.2017)
41. Atmega 1284-AU [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:
https://www.chipdip.ru/product1/8393141175 (дата обращения 17.06.2017)
42. ULQ2003D1 [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:
https://www.chipdip.ru/product/ulq2003d1013tr (дата обращения 17.06.2017)
43. DS3231SN [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:
https://www.chipdip.ru/product/ds3231sn (дата обращения 17.06.2017)
73
Приложение А
74
75
76
77
78
79
80
Приложение Б
81
1
2
3
4
1
2
3
4
5
6
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа