Бегущие огни. Бегущие огни на светодиодах своими руками — схема на микроконтроллере ATtiny2313 Схема бегущего огонька со светящейся дорожкой

Создание ленты бегущих светодиодов – это отличный вариант использования источника света в декоративных целях. Своими руками сделать бегущий огоньдостаточно просто, тем более что в итоге изделие может обладать разными эффектами, включая затухание света и поочередную работу элементов.

Микроконтроллер ATtiny2313 для бегущих огней

Данное устройство относится к серии AVR микроконтроллеров бренда Atmel. Именно под его управлением чаще всего делают бегущую световую ленту, поскольку эксплуатационные характеристики модели достаточно высокие. Микроконтроллеры просты в программировании, многофункциональны и поддерживают реализацию разных электронных устройств.

ATtiny2313 сделан по простой схеме, где порт для вывода и ввода имеет идентичное значение. Выбрать программу (одну из 12) на таком микроконтроллере очень легко, ведь он не перегружен лишними опциями. Модель выпускается в двух корпусах – SOIC и PDIP, причем каждый вариант обладает идентичными характеристиками:

• 8-битные общие регистры в количестве 32 штук;
• возможности 120 операций за один тактовый цикл;
• flash-память внутри системы на 2 кБ с поддержкой 10 тысяч циклов стирания и записи;
• внутрисистемная EEPROM на 128 байт с поддержкой 100 тысяч циклов;
• 128 байт встроенной оперативки;
• 4 ШИМ-канала;
• счетчик-таймер на 8 и 16 бит;
• встроенный генератор;
• удобный для разных целей интерфейс и другие функции.

Микроконтроллер имеет два вида в соответствии с энергопараметрами:

• классическая модель ATtiny2313 обладает напряжением от 2,7 до 5,5 В и силой тока до 300 мкА на частоте 1 МГц в режиме активности;
• вариант ATtiny2313А (4313) обладает характеристиками в 1,8-5,5 В и 190 мкА при той же частоте.

В режиме ожидания устройство имеет энергопотребление не больше 1 мкА.

Как уже было указано, память микроконтроллера оснащена 11 комбинациями световых схем, а возможность выбора всех комбинаций светодиодов последовательно – это и есть 12 программа.

Схема бегущих огней и принцип её работы

Создаваемая схема бегущих огней на светодиодах базируется на размещении микроконтроллера в центре. Все его порты вывода соединяются со светодиодами:

• порт B или PB0-PB7 используется полностью для контроля над свечением;
• максимально задействованы три вывода от порта D (PD4-PD6);
• также работают PA0 и PA1, поскольку они свободны за счет реализуемого внутреннего генератора.

Вывод №1 – PA2 или Reset – не является активным звеном схемы, поэтому резистором R1 подсоединяется к цепи питания ATtiny2313. Плюсовая часть питания 5 В идет к выводу №20 – VCC, а минусовая — №10 (GND). Полярный конденсатор C1 устанавливается для предотвращения сбоев и гашения помех в работе МК.

Учитывая, что каждый вывод имеет малую нагрузочную способность, целесообразно ставить на них светодиоды с номиналом до 20 мА.

Подходят, как классические smd3258, так и led’ы повышенной яркости в DIP корпусе. Суммарно их должно быть 13 штук. Функция ограничения тока возлагается на резисторы R6-R18.

Работа схемы контролируется посредством посредством переключателя SA1, кнопок SB1-SB3 и цифровых входов PD0-PD3, которые подключаются через резисторы R2, R3, R6 и R7. Такая конструкция позволяет включать мигание светодиодов в 11 различных режимов, задавая конкретную программу кнопкой SB3. А с помощью переключателя SA1 изменяется скорость мигания. Для этого:

1. SA1 переводится в замкнутое положение.
2. Скорость изменяется кнопками SB1 (ускорение) и SB2 (замедление).

Обратите внимание, что при размыкании переключателя данными кнопками меняется яркость свечения светодиодов от еле заметного мерцания до максимальной мощности.

Варианты сборки

Существует два доступных и относительно простых варианта сборки бегущих огней: на печатной или макетной плате. И в том, и в другом случае желательно за основу брать схему в PDIP корпусе на панельке DIP-20. При этом нужно, чтобы остальные компоненты также были в DIP-корпусах.

При сборке на макетной плате будет достаточно модели 50×50 мм с шагом в 2,5 мм. Светодиодыможно будет разместить не только на самой плате, но и на внешней линейке, подключив их в схему с помощью гибких проводов.

Миниатюрная печатная плата более практичный вариант для тех случаев, когда бегущие огни на светодиодах своими руками делают для активной дальнейшей эксплуатации.

К примеру, когда они устанавливаются на велосипед или автомобиль. В этом случае понадобятся такие компоненты:

• односторонний текстолит 55×55 мм;
• конденсатор 100 мкФ-6,3В;
• DD1 – Attine 2313;
• резистор 10 кОм-0,25 Вт±5% (R1);
• 17 резисторов 1 кОм-0,25 Вт±5% (R2-R18);
• 13 светодиодов LED диаметром 3 мм (цвет не важен);
• 3 кнопки KLS7-TS6601 или аналог (SB1-SB3);
• переключатель движковый ESP1010 (SA1).

Радиолюбителям с практическим опытом сборки печатных плат лучше взять для этой схемы Attine2313 SOIC c SMD резисторами. За счет этого общие габариты схемы уменьшатся почти в два раза. Можно также отдельным блоком установить сверхъяркие SMD светодиоды.

Эта схема бегущих огней на 12 вольт широко известна в сети, так как имеет очень простую и понятную конструкцию. Генератором режима выступает таймер импульсов, а счетчик, подсчитывая их, подает на выходы соответствующие логические уровни. Светодиодный элемент, подключенный к каждому выходу, загорается при логической единице и гаснет при нуле. Эффект бегущих огней создается за счет последовательного мерцания. Скорость «бега» задается генератором, работа которого контролируется номинальными параметрами конденсатора C1 и резистора R1.

Яркость светодиодов усиливается за счет увеличения подаваемого тока, но для этого их следует подключать через буферные транзисторы. Дело в том, что выходы счетчика не отличаются высокой нагрузочной способностью.

В этой старой схеме приведены советские обозначения компонентов и микросхем, но в наше время не сложно найти соответствующие им аналоги зарубежного производства.

Прошивка

Первый радиолюбительский вариант схемы бегущих огней на светодиодах, построен на уже зарекомендовавшем себя микроконтроллере ATtiny2313. В прошивки находится двенадцать возможных комбинаций различных световых эффектов, таких как плавно изменяющиеся огни, перелевающаяся тень, нарастающий огонь и т.п. ниже рассмотрены конструкции без микроконтроллера, но уже на несколько устаревшей элементной базе.

Эта конструкция способна осуществлять управление тринадцатью светодиодами, которые подсоединены через токоограничивающие резисторы напрямую к портам микроконтроллера ATtiny2313.

Тумблером SA3 можно осуществлять переключение между возможными вариантами работы. Тумблерами SA1 и SA2 можно регулировать скорость движения огней или частоту мигания каждого светодиода отдельно. Все это зависит, от положения тумблера SA4. При верхнем положении он регулирует скорость бегущих огней, а при нижнем частота мигания.

При установке светодиодов в линейку необходимо соблюдать очередность как указано на рисунке от HL1 до HL11. Микроконтроллер ATtiny2313 тактируем от имеющегося внутреннего генератора с частотой 8 МГц.

В предлагаемом устройстве очередность зажигания гирлянд для создания эффекта осуществляется с помощью трех электромагнитных реле путем использования различных значений напряжения, поступающего в цепь их обмоток

При подаче напряжения питания от сети оно поступает на первичную обмотку сетевого трансформатора Т1, к вторичной обмотке которого подключен выпрямитель, собранный по схеме с удвоением напряжения на диодах VD1, VD2 и конденсаторах С2, СЗ. Эффективное напряжение вторичной обмотки трансформатора составляет 13,5 Б. Поэтому выпрямленное напряжение в результате удвоения оказывается равным около 32 В. В исходном состоянии транзистор VT1, включенный по схеме с общим коллектором, заперт, поскольку конденсатор С1 разряжен. При этом все реле обесточены и горит гирлянда HL1.

Начинается заряд, конденсатора С1. По мере заряда конденсатора напряжение на нем и на эмиттере транзистора растет. Когда оно достигнет значения, при котором ток в обмотке реле КЗ превысит ток срабатывания, контакты К3.1 переключатся, лампы HL1 погаснут, а лампы HL2 загорятся. Дальнейшее увеличение напряжения на эмиттере транзистора приводит к срабатыванию реле К2, которое контактами К2.1 выключит лампы HL2 и включит HL3. Наконец, продолжающееся увеличение напряжения приводит к срабатыванию реле К1, контакты которого К1.1 разряжают конденсатор С1.

В результате запирается транзистор, все реле обесточиваются, зажигаются лампы HL1, а контакты К1.1 размыкаются. Тогда конденсатор вновь начинает заряжаться и процесс повторяется. Скорость заряда конденсатора и перемещения бегущего огня можно регулировать переменным резистором R2. В качестве сетевого трансформатора используется выходной трансформатор кадровой развертки ТВК-110ЛМ от черно-белых телевизоров. Из двух вторичных обмоток используется та, сопротивление которой составляет 1 Ом. Автор предложил использовать электромагнитные реле типа РЭС9.

Однако, ни одно реле этого типа не предназначено на коммутацию переменного напряжения 220 В (только 115). Поэтому советуем установить реле РЭС10, паспорт РС4.524.302 (РС4.529.031-03 согласно ГОСТ 16121-86). Их ток срабатывания составляет 22 мА, а сопротивление обмотки - 630 Ом. Таким образом, устройство К3 сработает при напряжении на эмиттере VT113,9 В. Благодаря включению резисторов R4 и R5 остальные два реле срабатывают при более высоком напряжении на эмиттере транзистора. Реле К2 срабатывает при напряжении 20,5 В, а реле К1 - при напряжении 23,3 В. Максимально допустимое напряжение на обмотке реле указанного типа составляет 36 В. Его контакты позволяют коммутировать переменное напряжение частотой 50 Щ и напряжением до 250 В при токе активной нагрузки до 0,3 А. Отсюда, каждая гирлянда может быть собрана из 9 соединенных последовательно лампочек накаливания типа МН26-0Д2, рассчитанных на номинальное напряжение 26 В и ток 0,12 А.

Конструкция представляет собой мультивибратор, состоящий из трех каскадов. Отпирание транзисторов и зажигание включенных в их цепи светодиодов осуществляется последовательно один за другим.

При сборке устройства желательно подобрать транзисторы с возможно большим коэффициентом усиления по току, а конденсаторы с минимальной утечкой.

Схема достаточно простая состоит из двух микросхем и десятка светодиодов, которые поочередно загораются.

Для регулировки скорости бегущих огней используется потенциометр R2.

Один из вариантов использования твердотельных источников света в декоративных целях – бегущие огни на светодиодах. Способов изготовления этого несложного устройства – масса. Рассмотрим некоторые из них.

Простейшая схема бегущих огней на 12 вольт

В интернете наиболее часто встречается простая «старомодная» схема с использованием счетчика и генератора (рисунок 1).

Рисунок 1

Работа схемы предельно проста и понятна. Генератор построен на основе таймера импульсов, а счетчик выполняет свою основную функцию – считает импульсы и выдает соответствующие логические уровни на своих выходах. К выходам подключены светодиоды, которые загораются при появлении логической единицы и соответственно гаснут при нуле, создавая тем самым эффект бегущих огней. Скорость переключения зависит от частоты генератора, которая в свою очередь зависит от номиналов резистора R1 и конденсатора С1.

Наименования микросхем приведены советские, но они имеют легкодоступные импортные аналоги. Если необходимо увеличить , то для увеличения тока нужно подключать их через буферные транзисторы, т.к. сами выходы счетчика имеют достаточно скромную нагрузочную способность.

Подключаем «мозги»

Для получения более сложных эффектов, схема должна строиться на микроконтроллере (далее МК). Хотя в интернете и присутствует множество схем бегущих огней на микроконтроллере, построенных на обыкновенной логике, реализующих различную последовательность зажигания светодиодов, их использование неоправданно и нецелесообразно в наши дни.

Схемы получаются более громоздкими и дорогими. МК же позволяет гибко управлять отдельными светодиодами или их группами, хранить в памяти множество программ световых эффектов и при необходимости чередовать их по заранее заданной последовательности или по внешней команде (например, от кнопки). При этом схема получается весьма компактной и достаточно дешевой.

Рассмотрим основной принцип построения схемы бегущих огней на светодиодах с использованием микроконтроллера.

Для примера возьмем микросхему ATtiny2313 – 8-разрядный МК стоимостью около 1$. Простейшая схема может быть реализована непосредственным подключением светодиодов к выводам I/O (рисунок 2). Эти выводы МК способны обеспечить ток до 20 мА, что более чем достаточно для индикаторных светодиодов.

Необходимое значение тока задается резисторами, включенными последовательно диодам. Значение силы тока рассчитывается по формуле I=(U пит -U LED)/R. Схемы питания и сброса МК на рисунке не приведены, чтобы не загромождать схему. Эти цепи стандартные и выполняются в соответствии с рекомендациями производителя, приведенными в Data Sheet. При необходимости точного задания временных интервалов (длительности зажигания отдельных светодиодов или полного цикла) можно использовать кварцевый резонатор, подключаемый к выводам 4 и 5 МК.

Если такой необходимости нет, можно обойтись встроенным RC-генератором, а освободившиеся выводы назначить как стандартные выходы и подключить еще пару светодиодов. Максимальное количество светодиодов, которое можно подключить к этому МК – 17 (на рисунке 2 показан вариант подключения 10 светодиодов). Но лучше оставить один-два вывода для кнопок управления, чтобы была возможность переключать режимы бегущего огня.

Рисунок 2

Вот и всё, что касается «железа». Дальше всё зависит от программного обеспечения. Алгоритм может быть любым. К примеру, можно записать в память несколько режимов и настроить интервал повторения каждой либо подключить две кнопки: одну для переключения режимов, другую для регулировки скорости. Написание подобной программы – достаточно простая задача даже для человека никогда не работавшего ранее с МК, однако если изучать программирование лень или некогда, а «оживить» бегущий огонь на светодиодах очень хочется – всегда можно скачать готовое ПО.

Здесь пойдёт речь о том, как сделать бегущие огни на светодиодах своими руками. Схема устройства отличается простотой и реализована на логических микросхемах так называемой жёсткой логики - микросхемах серии ТТЛ. Само устройство включает три микросхемы.

Схема состоит из четырёх основных узлов:

генератора прямоугольных импульсов;

счётчика;

дешифратора;

устройства индикации (16-ти светодиодов).

Вот принципиальная схема устройства.

Устройство работает следующим образом. После подачи питания светодиоды HL1 - HL16 начинают последовательно загораться и гаснуть. Визуально это выглядит как движение огонька слева направо (или наоборот). Такой эффект и называется «бегущий огонь».

Генератор прямоугольных импульсов реализован на микросхеме К155ЛА3 . Задействовано лишь 3 элемента 2И-НЕ этой микросхемы. С 8-го вывода снимаются прямоугольные импульсы. Частота их следования невелика. Это позволяет реализовать видимое переключение светодиодов.

По сути, генератор на элементах DD1.1 - DD1.3 задаёт темп переключения светодиодов, а, следовательно, и скорость «бегущего огня». При желании скорость переключения можно подкорректировать с помощью изменения номиналов резистора R1 и C1.

Стоит предупредить, что при других номиналах R1 и C1 генерация может быть сорвана - генератор не будет работать. Так, например, генератор отказался работать при сопротивлении резистора R1 равном 1 кОм. Поэтому изменять номиналы C1 и R1 можно лишь в некоторых пределах. Если генератор не запустился, то будет постоянно светиться один из светодиодов HL1 - HL16.

Счётчик на микросхеме DD2 необходим для подсчёта импульсов, поступающих от генератора и подачи двоичного кода на дешифратор К155ИД3. По схеме выводы 1 и 12 микросхемы-счётчика К155ИЕ5 соединены. При этом микросхема будет считать поступающие на вход C1 (выв. 14) импульсы и выдавать на выходах (1, 2, 4, 8) параллельный двоичный код, соответствующий количеству поступивших импульсов от 0 до 15. То есть на выходах (1, 2, 4, 8) микросхемы К155ИЕ5 последовательно сменяют друг друга 16 комбинаций кода (0000, 0001, 0010, 0011, 0100 и т.д.). Далее в работу включается дешифратор .

Особенность микросхемы К155ИД3 заключается в том, что она преобразует двоичный четырёхразрядный код в напряжение логического нуля, который появляется на одном из 16 соответствующих выходов (1-11, 13-17). Думаю, такое объяснение не всем понятно. Попробуем разобраться.

Если обратить внимание на изображение микросхемы К155ИД3, то можно заметить, что у неё 16 выходов. Как известно, в двоичном коде из четырёх знаков можно закодировать 16 комбинаций. Больше никак не получится. Напомним, что с помощью четырёхзначного двоичного кода можно закодировать десятичные цифры от 0 до 15 (всего 16 цифр).

Это легко проверить, если возвести 2 (основание системы счисления) в степень 4 (количество разрядов или цифр в коде). Получим 2 4 = 16 возможных комбинаций. Таким образом, при поступлении на входы микросхемы К155ИД3 двоичного кода в диапазоне от 0000 до 1111 на выходах 0 - 15 появится логический ноль (светодиод засветится). То есть микросхема преобразует число в двоичном коде в логический ноль на выводе, который соответствует числу в двоичном коде. По сути это такой особенный дешифратор из двоичной системы в десятичную.

А почему светится светодиод? На выходе ведь логический ноль. По схеме видно, что аноды всех светодиодов подключены к плюсу питания, а катоды к выходам микросхемы К155ИД3. Если на выходе "0", то для светодиода это как бы минус питания и через его p-n переход течёт ток - светодиод светится. Если на выходе логическая единица "1", то ток через светодиод не пойдёт.

Если всё то, что было написано вам всё равно не понятно, то не стоит расстраиваться. Просто соберите предложенную схему, например, на беспаечной макетной плате и наслаждайтесь работой устройства. Схема проверена и исправно работает .

Если в распоряжении уже есть стабилизированный блок питания (например, такой как этот), то интегральный стабилизатор DA1 (КР142ЕН5А ) и элементы обвязки (C2, C3, C4) в схему устанавливать не надо.

Все номиналы элементов (конденсаторов и резисторов) могут иметь разброс ±20% . На работу устройства это не повлияет. Светодиоды HL1 - HL16 могут быть любого цвета свечения (красного, синего, зелёного) с рабочим напряжением 3 вольта. Можно, например, использовать яркие красные светодиоды диаметром 10 миллиметров. "Бегущий огонь" с такими светодиодами будет смотреться очень эффектно.