Трехмерный LED-глобус

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены передовые LED-технологии и возможности их применения в технической сфере. Сделан акцент на то, что у LED-источников есть существенные преимущества по сравнению с другими источниками света Описана новейшая разработка – LED-глобусы, представляющие собой пространственные (3д) LED-объекты. В настоящее время уже разработано несколько вариантов LED-глобусов, отличающихся цветом, размерами и плотностью пикселей. Большинство из них разработано зарубежными лабораториями. Проанализирован ближайший русский аналог на микроконтроллере Atiny2313, обозначены его достоинства и недостатки. Поставлена задача: разработать аналогичное техническое устройство без недостатков, присущих аналогам Описана разработка авторов – LED-глобус, принципиально отличающийся от существующих аналогов. Приведены технические характеристики устройства, описан принцип программной реализации. Описан разработанный опытный образец. Его конструктивная и программная части являются оригинальными, отличными от существующих аналогов. Разработка является уникальной. Существующие аналоги имеют существенные конструктивные, аппаратные и программные отличия. Рисование изображений под любое разрешение, сохранение и загрузка уже нарисованных изображений, передача изображений в устройство, вывод массивов данных которые нужны для ручного ввода изображений – эти функциональные возможности позволят широко продвигать данное техническое устройство в различных сферах, где требуется визуальное преподнесение информации (например, реклама).

ABSTRACT

The advanced LED technologies and possibilities of their application in the technical sphere are considered. The emphasis that LED sources have essential benefits in comparison with other light sources is placed the latest development – the LED globes representing spatial (3D) LED objects is described. Now several versions of the LED globes differing in the color, the sizes and density of pixels are already developed. Majority of them developed foreign laboratories. The next Russian analog on the Atiny2313 microcontroller is analyzed, its merits and demerits are designated. The task is set: to develop the similar technical device without shortcomings inherent in analogs development of authors – the LED globe essentially different from the existing analogs is described. Technical characteristics of the device are given, the principle of program implementation is described. The developed prototype is described. It’s constructive and program parts are original, other than the existing analogs. Development is unique. The existing analogs have essential constructive, hardware and program differences. Drawing of images under any permission, preserving and loading of already drawn images, transfer of images in the device, a conclusion of data arrays which are necessary for manual input of images – this functionality will allow to advance widely this technical device in various spheres where the visual presentation of information is required (for example, advertizing).

LED (Light-emitting diode) — технология, которая позволяет получить световое излучение в месте соприкосновения катода и полупроводника, соединённого с анодом (электроны взаимодействуют с излучением фотонов при переходе через полупроводник на катод) [1]. На основе этого эффекта создается конечное множество световых источников, вместе образующих красочное светящееся высококачественное изображение.

У LED-источников есть несколько неоспоримых преимуществ по сравнению с другими источниками света [2]:

•        ·способность выдерживать относительно тяжёлые условия эксплуатации (вибрации, небольшие удары, попадание воды, низкие температуры, давление);
•        ·низкое энергопотребление (примерно в 7–10 раз меньше чем у стандартных ламп накаливания) и высокий уровень кпд;
•        ·отсутствие вредных для здоровья и окружающей среды соединений (в отличие от люминисцентных ламп, которые содержат ртуть);
•        ·долговечность (в 70–80 раз выше, чем у обычных ламп с нитью накаливания, до 80 000 часов и до 2-х раз долговечнее ламп с холодным катодом).

В частности, нас заинтересовала новейшая разработка – LED-глобусы, представляющие собой пространственные (3д) LED-объекты.

В настоящее время уже разработано несколько вариантов LED-глобусов, отличающихся цветом, размерами и плотностью пикселей. Большинство из них сделано различными лабораториями за границей.

Ближайший русский аналог основан на микроконтроллере Atiny2313. С помощью сдвиговых регистров к нему подключены 40 одноцветных светодиодов, контроль количества оборотов ведется с помощью оптического датчика. Устройство содержит только одно изображение, вес которого занимает 350 байт, для смены изображения требуется перепрошивка микроконтроллера [2].

Нами была поставлена задача: разработать аналогичное техническое устройство без указанных выше недостатков.

В основу работы динамических (вращающихся) устройств нами был положен принцип механической развертки изображения, с помощью линейки (линеек) светодиодов, крутящихся с большой частотой на неподвижной оси. Благодаря инерционности человеческого зрения в мозгу наблюдателя возникает неподвижная картинка (эффект POV). 

Нами был разработан опытный образец. Его конструктивная и программная части являются оригинальными, отличными от существующих аналогов.

В основу положены следующие технические решения:

1) для минимизации веса крутящейся части использована светодиодная RGB лента на основе светодиодов APA102. Основной особенностью этих светодиодов является то, что в них применен упрощенный вид SPI-интерфейса, шины данных и тактовой шина, что позволяет на больших скоростях программировать цвет каждого светодиода. На каждый отдельный светодиод приходится посылка по 4 байта, в которой содержатся по 1 байту на каждый цвет, а также контрольный байт;

2) в качестве мозга устройства был выбран микроконтроллер STM32F103CBT6, который работает на частоте 72 МГц и имеет Память 120 кB Flash и 20 кB SRAM. Основным критерием выбора послужило наличие достаточного количества памяти, высокая скорость работы, а также наличие SPI-интерфейса;

3) для контроля нулевой точки отсчета в глобусе используется цифровой датчик холла, который при проходе в определенной точке, где на стационарной части установлен магнит, сигнализирует контроллеру о начале отсчета;

4) модуль Bluetooth HC-06 с интерфейсом UART для передачи изображений на микроконтроллер. При текущем разрешении глобуса 120x35 вес одного изображения составляет 17 кбайт. Поэтому для увеличения разнообразия было решено использовать связь с ПК;

5) воздушный трансформатор для передачи питания на ротор, с максимальной мощностью до 500 мА.

Технические характеристики устройства приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Технические характеристики устройства

Программа для микроконтроллера была написана на языке С в программной среде KeiluVision5.Весь алгоритм программы построен на прерываниях, что позволяет разгрузить процессор на более важные задачи. Большим плюсом микроконтроллеров stm32 является наличие технологии DMA,которая позволяет передавать данные в spi, не задействуя процессор, что позволяет освободить процессорное время, которое необходимо для анализа и перезаписи данных, поступающих с компьютера.

Для работы с данным устройством было написано приложение в Microsoft visual studio на языке с#. Структура программной реализации приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структура программной реализации

Подчеркнем еще раз. Разработка является уникальной. Существующие аналоги имеют существенные конструктивные, аппаратные и программные отличия.

Рисование изображений под любое разрешение, сохранение и загрузка уже нарисованных изображений, передача изображений в устройство, вывод массивов данных которые нужны для ручного ввода изображений – эти функциональные возможности позволят широко продвигать данное техническое устройство в различных сферах, где требуется визуальное преподнесение информации (например, реклама).