Pure Light



    На данный момент на рынке появилось много новых источников освещения, которые не всегда отвечают требованиям экологичности, а государство самоустранилось от решения данной проблемы и рынок тут же заполонил откровенный ширпотреб. Частично эту проблему я описывал в материале , а данный прибор явился результатом поиска решения проблемы правильного освещения.

Проблематика вопроса

    Как известно большинство наших источников освещения запитываются от сети переменного тока, напряжением 220В. Поэтому, когда переменный ток протекает через нить накаливания лампы освещения или переменный ток служит источником энергии для люминисцентных или светодиодных светильников, то неизбежно возникают пульсации освещенности. Проблема в том, что наш глаз ни все пульсации света позволяет увидеть, но на пульсации реагирует очень болезненно. У нас появляется усталость и краснота глаз, а со временем падает зрение. Врачи при этом как правило борются со следствием не пытаясь найти причину.
    Что такое пульсации и как они влияют на здоровье, можно популярно и доступно прочитать вот тут, повторяться не буду. 

Возвращаясь к мониторам

    Единственно на что хочется обратить внимание каждого, особенно тех, кто много работает за компьютером. В интернете зачастую можно найти большие дискуссии по поводу пульсаций монитора (я тоже поучаствовал), но почему-то ни кто не обращает внимание на простой и очевидный факт, - свет от разных источников складывается. И если у вас перед компьютером стоит настольная лампа с качественным светом (500-2000 Lux) и есть монитор с пульсациями, но его исходящая освещенность всего 10 - 80 Lux, то при включении дополнительного освещения пульсации монитора по абсолютному значению останутся без изменения, а общий уровень освещения вырастет, что приведет к значительному уменьшению коэффициента пульсаций. И действительно, наши глаза и глазные мышцы будут реагировать на более сильный источник освещения (настольную лампу), поэтому он должен быть качественным и не иметь пульсаций.
      Другими словами, гораздо важнее освещение рабочего места, чем пульсации монитора. А все те, кто работает за монитором в темноте являются Камикадзе.

Коэффициент пульсаций по видам освещения

 Тип освещения К пульсаций Примечание
Лампы накаливания 220В
 20-40% Чем меньше мощность лампочки, тем пульсации больше, т.к. нить накаливания тоньше. Раньше мы жили в комнате с одной лампочкой 150-200Вт и были счастливы, а теперь 6x40Вт, но при этом пульсации гораздо больше.
Лампы накаливания 12В 5-10%Толстая нить накаливания дает хорошие результаты. Вторым положительным качество является долговечность, опять же по причине толстой нити накаливания.
Люминисцентные лампы с электронным пускателем (и энергосберегайки) 20-35%Коэффициент пульсаций со временем может увеличиваться, т.к. конденсаторы фильтра подвержены высыханию при длительной работе с повышенной температурой.
 Люминисцентные лампы с дроссельным ПРА 45-60% Если компьютеры стоят в данных помещениях, то это очень плохо.
 Светодиодные светильники и ленты без встроенного драйвера или без внешнего драйвера 70-100% Данный  тип светильников я называю - смерть глазам и рекомендую их сразу утилизировать, если нельзя поставить внешний драйвер питания.
 Светодиодные светильники и ленты со  встроенным драйвером или с внешним драйвером 0-15% Это практически идеальные светильники по коэффициенту пульсаций, но свет от них обладает очень плохим спектром, но это тема отдельного разговора. Так же у данных светильников подвержены старению светодиоды и в меньшей степени элементы  внешнего драйвера питания.

Примеры изображения дисплея

     

Параметры прибора

Освещенность                            3 Lux - 20 kLux
Коэффициент пульсаций          1-100%
Развертка                                     20, 50, 100 мкс/дел, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10, 20 мс/дел
Max частота дискретизации      500 кГц
Питание                                       3*AAA 1.5В
Связь с ПК                                    USART, USB
BootLoader                                   USB
Индикатор                                   Цветной (128*128) ILI9163  или черно-белый 128*64 (KS0108).
Дополнительно                          Выключение питания через 60 мин при отсутствии активности.

Аналоги и особенности

    Аналог знаю только один, опубликован на РадиоКоте, на данный момент вышеуказанная конструкция является более проработанной, но ресурс МК выбран и несколько неудобный индикатор. Промышленные варианты весьма и весьма дороги.

Особенности моего варианта:
- Связь с ПК;
- Два дисплея высокого разрешения на выбор (переключаются  SB4).
- Двухкаскадный усилитель фотодиода с переключаемым коэффициентом усиления;
- Только один фотодиод (но верхний предел ограничен 20 kLux).
- Возможность применения разных фотодиодов, т.к. входная часть легко пересчитывается.

Схемы прибора v1.1.






Качественные схемы в архиве, внизу страницы. Так же в архиве схема подключения индикатора с контроллером KS0108.

Описание прибора

    Прибор собран на STM32F072CB, но т.к. каждая любительская конструкция это учебный полигон, то выбор контроллера был обусловлен более пристрастиями автора, чем потребностями прибора. Если делать все в лоб, то ресурсы МК избыточны, но те ресурсы, которые имелись на борту позволили мне попробовать работу с STM32, изучить FreeRTOS и USB, а также осуществить поддержку работы двух типов индикаторов.
    Собственно описание...
    Аналоговая часть сделана двух каскадной, т.к. изначально планировалось сделать переменный коэффициент усиления для сигнала фотодиода. Первый каскад усиления представляет из себя преобразователь ток-напряжение для фотодиода. Причем ввиду малого напряжения питания использован Rail-to-Rail операционный усилитель с небольшим смещением неинвертирующего входа усилителя на резистивном делителе R15,R16. Такое включение позволило работать с однополярным питанием начиная с минимальных уровней освещения, а разделение на два каскада снизило общий уровень шумов. Коэффициент усиления первого каскада определяется выбором R17 исходя из чувствительности фотодиода BWP21R или BWP34 при освещенности 20kLux и использования полного диапазона операционного усилителя. Формулы приведены на схеме.
    Далее через отключаемый резистивный делитель 1:10 на R18,R20 сигнал попадает на второй каскад усиления. Делитель подключается  ключем на транзисторе U5.
    Второй каскад усиления имеет изменяемый коэффициент усиления 10 или 100, который переключается ключем на транзисторе U6. Конденсаторы C8,C20,C19,C18 являются частотокорректирующими.
    Усилитель имеет два выхода. Первый выход интегральный LUX_INTEGRAL, который используется для грубой предварительной оценки освещенности и последующего установления коэффициента усиления. И второй выход LUX_OUT служит выходом для ADC, на основании которого будут сниматься динамические данные.
    LED 1 зеленого цвета, во время работы всегда моргает с частотой 1Гц, что сигнализирует о работе RTOS (мне так было удобно), но в дальнейшем из-за нехватки свободных выводов МК, пришлось это вывод использовать для управления питанием. Включение питания происходит через ключи на U8,U9. При нажатии на SW6, заряжается С26, что приводит к открыванию ключей U9 и U8, система начинает работать, на линии LED_GREEN появляются импульсы, которые поддерживают C26 в заряженном состоянии (SB2 and D61 не используются и не запаиваются).
Отключение питания производится нажатием кнопки PB_R более 2х секунд, далее МК отключает вывод импульсов по линии LED_GREEN и C26 разряжается, что приводит к выключению питания. Аккумулятор не ставил, т.к. прибор используется очень редко и заряжать его постоянно не будешь, а если аккумуляторы не использовать постоянно, то ток саморазряда через пару месяцев выведет их из строя. Батарейки проще и дешевле, да и ток утечки ключа U8 меньше тока саморазряда (комплект батареек стоит уже 1.5 года и изменений в работе не замечено).  U7 при использовании индикатора  3,3в не впаивается.

Интерфейс

Измерение всегда производится только в одиночном режиме, после нажатия на кнопки OK, LEFT, RIGHT. Разрешение по умолчанию при включении 2ms/div.
Кнопка LEFT - Провести измерение и увеличить разрешение по горизонтали.
Кнопка RIGHT - Провести измерение и уменьшить разрешение по горизонтали
Кнопка ОK - Провести измерение с текущими параметрами.
Кнопка LEFT (с удержанием 5 cек) - Переворачивает экран на 180 градусов и запоминает данную установку.
Кнопка RIGHT (с удержанием 2 cек) - Выключение устройства. Так же отключение производится через 60 секунд без нажатия на кнопки.
Кнопка POWER - включает устройство.
Зеленый светодиод - моргает с интервалом 1 сек, что символизирует работу RTOS и как прекратится моргание устройство выключается.
Красный светодиод - HALT загорается при ошибках в работе RTOS и по количеству морганий указывает на произошедшую ошибку.

Команды USB <->USART

    После установки драйвера виртуально порта STM, можно подключаться к устройству через терминальную программу, для выполнения команд и просмотра служебной информации. Для вывода команд надо набрать 'help'.
Настройки USART:
    - скорость  57600
    - parity none
    - data bits 8
    - stop bit 1
    - hw control none

    На данный момент в арсенале три команды:
 - lux n, где n номер диапазона измерения. Команда инициирует разовое измерение данных и их отображение на индикаторе.
 - adc n, где n период дискретизации данных в us. Команда инициирует разовое измерение с указанным периодом с выводом результата измерений ADC на USART (1024 точки).
- cal - команда калибровки. Команда не доделана, т.к ее целесообразность под большим вопросом ввиду характеристик используемых фотодиодов (это отдельная тема).
    Измерение всегда производится только в одиночном режиме, после нажатия на кнопку PB_OK, а результат отображается на экране.

Конструкция и плата

    Плата прибора разведена для корпуса G407A с применением цветного индикатора (128*128) на контроллере ILI9163, на данный момент eBay завален этими индикаторами, по очень демократичной цене.
    Данная версия прибора также работает с дисплеем 128*64 на контроллере KS0108. Для всех у кого есть данный индикатор, но он еще не пристроен, рекомендую задействовать, но плата для данной версии прибора не разводилась.
    Прибор реализован, на платах V1.0 которые были заказаны в Китае, после разводки платы я понял что ЛУТ при таком количестве переходных отверстий не подойдет. Схема этого варианта так же прилагается, а платы пришлось немного подрезать, ввиду того что я сделал несколько ошибок: перевернул USB разъем, после тестерования поставил дополнительный диод по питанию Vbat, т.к не обратил внимание на внутренний диод внутри U8 и изменил подключение фотодиода, для улучшения характеристик системы.
    Ввиду ограниченности пространства под батарейки, пришлось очень близко подвинуть плату к корпусу, что привело к необходимости запаять индикатор, т.к. разъем для индикатора уже не помещался по высоте. На плате установлено много разъемов, т.к. плата на втором этапе служила отладочной платой после монтажа. На плате установлен разъем OUT_USART и SWD, которые можно не ставить, т.к. в окончательной версии прошивка загружается через USB вместо SWD, а вывод данных, который идет на USART, можно также увидеть на виртуальном порту, который эмулируется через USB. Так же можно не монтировать D1.
    Стандартные стойки корпуса G407A для крепления платы пришлось увеличить по месту по высоте, а также две стойки в районе индикатора передвинуть, т.к. между ними не помещался индикатор. Все монтировалось клеем из дихлорэтана и пластмассы корпуса.

Изображения 3D модели плат до заказа.


Фото конструктива

 
 
 

Прошивка

        Опубликована внизу страницы. Загрузка прошивки осуществляется через USB, для этого надо установить перемычку PL6, подключить порт USB, что приведет к подаче питания на устройство и переведет BOOTLOADER в активное состояние. Загрузка прошивки производится через программу DfuSe с сайта STM, правда прошивка сначала должна быть отконвертирована в формат dfu, конвертер идет в комплекте с программой. Но вы можете брать готовый dfu и загружать.

05/02/2015 Пришли платы

Платы заказывал вот тут http://imall.iteadstudio.com/
  

Ошибки платы

1. Перевернут разъем USB, надо резать дорожки и менять их местами.
2. На плате не стоит диод D3 т.к. не заметил что внутри транзистора V8 стоит защитный диод через который напряжение от USB шло на батарейки в момент подключения USB разъема.
3. Переделка входной части возле фотодиода. На плате переделана цепочка R15, R16, C23 во входной части фотодиода.

09/02/2016 Новая прошивка - Версия 0.3.1

    Оказалось что наши китайские товарищи выпускают индикаторы ILI9163 в двух вариантах. В одном из вариантов выводимая информация на дисплее перевернута и сдвинута. У меня индикатор красного цвета, а на синем перевернута (может есть еще какие нибудь признаки).
    Для поворота экрана на 180 градусов необходимо нажать на левую кнопку на 5 секунд, после этого информация о положении экрана будет изменена и записана в верхний блок FLASH, а также сделана перезагрузка устройства.

Источники и ссылки

1. Пульсации освещённости и яркости.
5. Обзор распространенных лампочек  http://habrahabr.ru/post/230913/
6. Улучшение параметров LED светильников http://www.asobol.ru/moi-stradania/svetilnik-germes-su-vk-67-0000
7. Обсуждение конструкции на CQHAM.RU 
ċ
SBL_LIGHT_METER_release_v0.3.1.zip
(1355k)
Andrey Sobol,
15 февр. 2016 г., 06:55
ċ
schemes_V1.1.zip
(238k)
Andrey Sobol,
8 мар. 2015 г., 13:21
ċ
schemes_output_V1.0.zip
(232k)
Andrey Sobol,
25 янв. 2015 г., 11:40
Comments