«Часы-пропеллер» с эффектом стробоскопа на PIC16F84A. LED POV Clock

Много диковинных электронных проектов можно найти на просторах Интернета, что и не даёт пытливому уму покоя.
И пусть «часы-пропеллер» далеко не новинка в большой Сети, но я, наткнувшись в один прекрасный момент на схему часов со стробоскопическим эффектом, не смог пройти мимо.

↑ Немного теории

Основная идея прибора состоит в микроконтроллерном управлении группой светодиодов, установленных на быстровращающееся основание.

В коде задаётся цикл, который повторяется от внешнего прерывания. Допустим длина общей пачки 15 мс. В этот промежуток времени каждый светодиод загорается n-число раз. При малой частоте вращения человеческий глаз уловит лишь однократное включение всех светодиодов сразу. Но, стоит увеличить частоту вращения, и малые интервалы общей пачки начнут растягиваться по оси Х, и глаз уже начнёт улавливать неодновременные срабатывания. Так будет продолжаться до определённой граничной частоты вращения, при которой интервал длительностью 15 мс будет развёрнут на некоторую длину по оси X, при которой уже чётко будут различимы интервалы мигания внутри общей пачки и прорисуются цифры, которые сложатся в общую картину. Дальнейшее увеличение частоты вращения приведёт к растягиванию общей пачки импульсов и цифры станут не читаемы.

↑ Практическая реализация на базе вентилятора от кулера ПК

Практически же это реализуется на вращающемся основании, которым может послужить моторчик, пропеллер вентилятора или ещё что-нибудь. Я выбрал вариант с вентилятором от процессорного кулера.
Тут главное не ошибиться в выборе. Вентилятор под проект нужно брать помощнее (4-5 Вт, ток потребления 0,35-0,5 А) и с частотой вращения не менее 2200 оборотов в минуту.
Менее мощные варианты не подойдут, они просто не выйдут на расчётную частоту с грузом из планки светодиодов на роторе. Изначально я выбрал неудачный вариант: 1500 об/мин и 0,19А, он не потянул и выдавал не более 600-700 оборотов в минуту.
Затем на радиорынке я отыскал тайваньский вентилятор с частотой вращения 3200 об/мин и потреблением 0.4 А. С ним всё получилось.

Вентилятору нужно сделать ревизию. Первым делом нужно его разобрать. Замечу, что вентиляторы встречаются и не разборные.

В случае с разборным вентилятором, придётся лишь снять резиновую заглушку, стопорное кольцо, и разборка завершена.

Мне же в первый раз попался неразборный вентилятор. Хотя он в итоге не подошёл, но я всё равно расскажу обо всех премудростях его разборки для тех, кому вдруг попадётся такой вариант. Фото непосредственной разборки у меня нет, поэтому я нарисовал схему внутреннего устройства.

Штифт находится в полуподвешенном состоянии при помощи стопорного кольца. Трение проточенной части штифта о стопорное кольцо незначительно вследствие того, что остриё штифта упирается в смазанную прокладку, тем самым удерживая проточенный участок её самой тонкой частью посередине стопорного кольца.

Самая сложная процедура при разборке – высверлить отверстие так чтобы достать стопорное кольцо, но не выбить внутренний конус, на котором всё держится. Для этого я использовал бур по стеклу диаметром 10 мм.

Установил бур не точно по центру, а с небольшим смещением.


После 5 минут медленного сверления наткнулся на прокладку. Вынул её. Ещё немного посверлил и открылся следующий вид.

Сверлить нужно осторожно, чтобы не задеть элементы на плате, находящейся рядом.
Теперь снимаем стопорное кольцо, и ротор свободен.
Если не хотите таких проблем, то просто найдите разборный вентилятор с нужными параметрами.

↑ Бесконтактная передача энергии. Хитрый трансформатор

Одна из главных трудностей в реализации проекта состоит в передаче электроэнергии вращающейся вместе с ротором плате. Вариантов реализации немного: скользящие контакты и вращающийся трансформатор. Решил делать трансформатор. Так как сердечник поставить не представляется возможным, трансформатор будет работать на высокой частоте. Вторичную обмотку нужно мотать на роторе, а первичную на основании статора вблизи ротора с зазором 1-2,5 мм.

От разобранного вентилятора я взял роторную часть и срезал лопасти. Зачистил сначала грубо напильником, затем доработал мелкой наждачной бумагой.

Вот макет расположения обмоток.

Чтобы соблюсти зазор я делал «слоеный пирог». Для начала, в 2 слоя намотал на статор бумажный скотч, чтобы мотать легче было, и витки не соскальзывали.

Обмотку мотал проводом 0,2 мм. Отступил 2-3 мм, сделал запас отводов провода ок. 4 см и приклеил при помощи суперклея. Как только клей высох, начал мотать по направлению вниз. Когда до нижней границы остались те же 2-3 мм, закрепил нижние витки суперклеем, подождал, пропитал все витки цапонлаком и дал подсохнуть. Лак засох, пора мотать второй слой. Намотал второй слой, снова приклеил верхние витки суперклеем и пропитал лаком.

Всего получилось 100 витков, примерно по 50 витков в слое. Если не пропитать лаком первый слой, то при намотке второго слоя провод может проскользнуть между витками первого слоя. Ничего особо страшного в электрическом плане не произойдёт, а вот эстетику испортит.

После того как лак подсох, я намотал слой плотной бумаги толщиной 1,5-2 мм поверх вторичной обмотки, чтобы был зазор между обмотками. Промазал сверху суперклеем.

Внимание! К первичной обмотке клеить эту бумагу не нужно! Получившееся кольцо должно сниматься с первичной обмотки.

Суперклей у меня засох неоднородно, и я обработал поверхность наждачной бумагой «нулёвкой». Суперклей впитался в слои бумаги, и кольцо получилось достаточно жёстким.

На бумажное кольцо намотал ещё слой плотной бумаги толщиной 2 мм, не приклеивая к первому кольцу. Снова промазал суперклеем. Второе бумажное кольцо и есть основание будущей первичной обмотки. Клей засох, обработал нулёвкой все шероховатости. Проверил, снимаются ли оба бумажных кольца с ротора. Снимаются отлично.

Благодаря этому способу с проклеенной бумагой можно не искать основание под первичную обмотку, да и с такой точностью для, сохранения нужного зазора, подобрать что-то другое очень сложно.

По образу вторичной обмотки, я на втором кольце намотал первичную обмотку. Пропитал лаком и дал высохнуть. С лаком нужно быть осторожнее, чтобы он не затёк между кольцами и не склеил их. Мотал первичку в ту же сторону. Необходим всего один слой 50-55 витков.

Разобрал кольца, установил ротор на основание вентилятора и суперклеем приклеил каркас с первичной обмоткой около вторичной, соблюдая зазор.

Трансформатор готов! Теперь его нужно запитать, а для этого нужен генератор высокой частоты.

↑ Генератор высокой частоты для бесконтактной передачи питания

Вариантов подобных генераторов огромное множество, я выбрал схему на микросхеме NE555 из-за простоты и малого количества элементов обвязки.

Максимально эффективную частоту на выходе генератора подбирал делителем R3-R2 опытным путём. Генератор подключил к первичной обмотке статора, а к вторичной подключил диодный мост, состоящий из «шотток» BYV26C, и нагрузил светодиодом через резистор 910 Ом. На место резисторов R3 и R2 впаял потенциометры на 50 кОм и 10 кОм и подбирал частоту так, чтобы на выходе диодного моста под нагрузкой было порядка 12-15 В.

Если питать NE555 от +12В, то полученное напряжение будет 30-40В, что многовато, поэтому генератор питаем от 5 Вольт через стабилизатор 7805.
После настройки я выпаял потенциометры и заменил их постоянными резисторами ближайшего номинала и провёл серию пробных стартов.

Трансформатор готов, подключен к генератору высокой частоты и выставлено нужное выходное напряжение. Полдела сделано! Теперь осталось самое вкусное – плата вращающейся части.

↑ Основная схема часов-стробоскопа

Полная схема выглядит следующим образом.

Основным элементом управления светодиодами является микроконтроллер PIC16F84A, который по сигналу синхронизации от оптопары включает светодиоды в нужном порядке. Питание микроконтроллера и светодиодов выполнено на стабилизаторе 78L05.

Плату переделал её под SMD-компоненты, ведь чем меньше вес платы, тем меньше нагрузка на вентилятор.

Вращающаяся часть состоит из основной платы и платы индикации, на которой установлены светодиоды.

В качестве выпрямительных диодов я использовал диоды Шоттки SS12. Под микроконтроллер впаял 18-контактную панельку, так как был необходим «холостой пуск».

Длина плеча может корректироваться по вкусу из учёта комфортного наблюдения светящейся части. По-моему мнению развёртка на 90-110 градусов оптимальная. Вариант развёртки менее, чем на 90 градусов собьёт цифры в кучу, а более 110 градусов чересчур растянет картинку по диаметру.

Изначально я выбрал длину плеча в 65 мм, но опыт был неудачным и уже готовую плату отпилил до 45 мм.

Плата со светодиодами имеет следующий вид.

На ней 7 основных светодиодов и 2 светодиода подсветки. Все светодиоды 5 мм в диаметре.

Соединения двух плат выполняются пайкой соединительных площадок. Платы вытравил, провёл монтаж, соединил. Теперь нужно посадить их на ротор вентилятора.
Для этого просверлил 3 отверстия с разбросом в 120 градусов.

В них вставил винты с потайной головкой диаметром 3 мм и длинной 20 мм. Закрепил на гайки и закрепил на них платы.

Концы вторичной обмотки припаял к плате. На противоположную сторону от платы индикации поставил компенсирующий противовес, чтобы снизить биения при вращении.

Настал момент холостого прогона без микроконтроллера. Поставил ротор с платами в своё место на вентиляторе и подал питание на генератор ВЧ, вентилятор пока неподвижен. Загорелись светодиоды подсветки. Проверил напряжения на входе стабилизатора 78L05, оно просело до 10 Вольт, это нормально. Осталось установить синхронизирующую оптопару, состоящую из инфракрасного фотодиода и инфракрасного светодиода. ИК-светодиод приклеил к основанию вентилятора и запитал от основного питания +12 В через резистор 470 Ом. На плате впаял обычный ИК-фотодиод.
Установил оптопару так, чтобы при вращении фотодиод пролетал над светодиодом как можно ближе.


PIC-контроллер PIC16F84A я запрограммировал популярным программатором K150.
Установил контроллер в панельку, ротор закрепил стопорным кольцом.

↑ Настало время пуска!

Первое включение и обрадовало и огорчило одновременно. Схема работала, светодиоды выдали время 12:00, как и должны были, но изображение было смазанным по оси X. Начал «разбор полётов», в результате я пришёл к выводу о необходимости замены фотодиода. Разброс области срабатывания от внешнего прерывания МК оказался слишком большой.

Решил поставить фотодиод с более узкой диаграммой направленности, а так же обклеил светодиод чёрной изолентой.

Область срабатывания уменьшилась 2-3 раза, и последующее включение обрадовало: размытость полностью исчезла.

Отмечу ещё раз, что маломощные вентиляторы не разгонят эту конструкцию до нужной частоты вращения, и картинка будет мелькать в глазах. Я переделывал проект раза три, и только вариант на вентиляторе с параметрами 0,4 А; 4,8 Вт; 3200 об/мин заработал отлично.

Очевидный минус конструкции – отсутствие резервного элемента питания контроллера. Да-да, время будет сбрасываться при каждом снятии основного питания +12В.

↑ Выбор светодиодов для стробоскопа

Для этой конструкции не нужно брать сверхъяркие светодиоды, следует ограничится светодиодами средней яркости. Цвет светодиодов индикации и подсветки — дело вкуса. Когда я запаял половину синих, а половину красных светодиодов и показал группе людей, то единого мнения не было. Кто-то видел чётче синие, а кто-то красные.

↑ Видео стробоскопических часов в работе

Отмечу, что камера некорректно передаёт картинку, и этого мигания и эффекта «бегущих огней» в реальности нет.

↑ Итоги

Корпус пока не сделал и нахожусь в стадии обдумывания области применения сего изделия. Доминирующая идея – ночные часы в корпусе из оргстекла и завязанные на датчик движения, откалиброванного так, чтобы часы не запускались от каждого движения ноги на кровати.

↑ Ссылки

• www.tehnari.ru/f170/t52199
• made-himself.ru/chasy-propeller

↑ Файлы

Схема и платы проекта.
🎁shemaplata.zip  32.94 Kb ⇣ 54

Прошивки.
🎁proshivki.zip  3.04 Kb ⇣ 58

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации