Na rozgrzewkę:
We wpisie przedstawię po kolei schemat blokowy, schemat elektryczny, projekt oraz zamówienie PCB sterownika oświetlenia schodów LED. Projekt został stworzony od koncepcji po finalne urządzenie zamontowane w domu. W kilku kolejnych wpisach przedstawię etapy powstawania projektu oraz efekty z działania sterownika na instalacji. Jeśli chcesz wykonywać swoje projekty DIY i potrzebujesz asortyment, zapraszam do sklepu Mateusza Salamona (sklep.msalamon.pl).
Sponsorem wpisu jest msalamon.pl
WWW: https://msalamon.pl/
Sklep: https://sklep.msalamon.pl/
Zakres wpisu:
- Schemat blokowy sterownika schodowego LED
- Schemat elektryczny sterownika schodowego LED
- Projekt PCB sterownika schodowego LED
- Zamówienie PCB
Schemat blokowy sterownika schodowego LED:
Charakterystyka sterownika schodowego LED:
- Napięcie zasilania sterownika 12 V,
- Obciążalność jednego wyjścia 1 A,
- Maksymalnie 32 wyjścia,
- Napięcie zasilania GPIO w układzie 3.3 V,
- Mikrokontroler sterujący STM32G0,
- Diagnostyka poprzez pomiar napięcia na każdym wyjściu,
- Diagnostyka poprzez pomiar prądu w grupach po 4 wyjścia.
Schemat elektryczny sterownika schodowego LED:
Schemat wykonałem w darmowym programie KiCAD, w postaci hierarchicznej. Poszczególne bloki połączone są pomiędzy sobą magistralami. Po uruchomieniu schematu jest następujący wygląd:
Do projektu dobrałem następujące komponenty:
- Procesor STM32G070RBT ze względu na spełnienie wymagań pod kątem ilości GPIO, wejść analogowych oraz niską cenę,
- Przetwornica obniżająca napięcie z 12 V do 3.3 V do zasilenia procesora oraz multiplekserów. Wybrałem przetwornicę od Texas Instruments LM2675M.
- Obwód wyjściowy: głównym elementem wykonawczym jest układ typu high side zrealizowane za pomocą tranzystora P-MOSFET. Bramka tranzystora sterowana jest z bipolarnego tranzystora cyfrowego, sygnał PWM generowany jest z procesora. Prąd mierzony jest równocześnie z czterech wyjść, w konfiguracji low side. W kolejnej rewizji płytki wyjścia zrealizuje w inny sposób, tak aby pozbyć się wzmacniacza, a ograniczenie prądowe wykonać w sposób sprzętowy.
- Układ pomiarowy prądu: jest to układ low side. Wybrałem układ typu low side ze względu na niską cenę tego rozwiązania. Do pomiaru typu high side musiałbym wybrać drogie, różnicowe wzmacniacze pomiarowe. Układ stanowi ograniczenie prądowe, który płynie do masy sterownika, tak aby zabezpieczyć tranzystory wykonawcze. Konfiguracja low side nie chroni przed zwarciem do innej masy niż masa urządzenia.
- Układ pomiarowy napięcia: napięcie na każdym wyjściu mierzone jest za pomocą dzielnika, dalej podawane przez multiplekser na wejście przetwornika analogowo-cyfrowego mikrokontrolera. Wybrałem multipleksery 8 kanałowe, poszczególne wejścia sterujące czterech multiplekserów umieszczonych w układzie połączyłem, tak aby wykorzystać, jak najmniejszą liczbę GPIO z mikrokontrolera. Pomiar napięcia na każdym wyjściu służy jako diagnostyka przed zwarciem wyjścia do masy innej niż masa sterownika oraz informuje o poprawnym załączeniu wyjścia.
- Układ wyboru sceny świetlnej: układ zrealizowany jest za pomocą dipswitch’a 4 polowego podłączeonego do mikrokontrolera za pomocą multipleksera.
- Układ podłączenia czujników PIR: czujniki PIR zasilane są wprost z 12 V, z płytki sterownika. Sygnał informujący o wykryciu obiektu jest zgodny z logiką użytą w projekcie, czyli 3.3 V.
Projekt PCB sterownika schodowego LED:
Projekt PCB wykonałem także w programie KiCAD. Obwód drukowany jest dwuwarstwowy, lecz w kolejnej rewizji myślę, że zwiększę ilość warstw do czterech.
Po wykonaniu PCB oraz podczas uruchamiania urządzenia znalazłem kilka błędów, następnie mój kolega wskazał mi kolejne, oto one:
- Przelotki umieszczone zbyt blisko magistrali z racji prądu powrotnego. Poligon GND powinien otaczać przelotkę od strony magistrali.
- Prąd powrotny z przetwornicy obniżającej napięcie płynie tylko przez przelotkę diody D4.
- Cienkie ścieżki nie powinny być łączone tak jak poniżej z racji obciążeń mechanicznych, ale także z powodu procesu produkcji. W trakcie produkcji PCB wąska ścieżka połączona w poniższy sposób może być przerwana, ponieważ może zlać się z padem konektora.
- Połączenie ścieżek do konektora: ścieżki od konektora powinny być szerokie, następnie zwężane, dostosowane do szerokości finalnej ścieżki. W projektowaniu PCB sposób ten nazywa się teardrop. Ścieżka od pinu 2 powinna wyglądać podobnie jak ścieżka dołączona do pinu 1. Stosowanie teardrop jest potrzebne z racji mechanicznych obciążeń występujących na konektorze np. podczas dokręcania przewodów.
- Połączenie GND dookoła procesora, połączenie wykonane jest z resztą płytki tylko w jednym punkcie, może to powodować offset GND na płytce, co na przykład skutkuje obniżonymi pomiarami ADC. Najlepszym rozwiązaniem będzie 4 warstwowe PCB.
Zamówienie PCB:
PCB zamówiłem u chińskiego dostawcy, JLC PCB. Zamówienie otrzymałem terminowo oraz zadowolony jestem z jakości wykonania.
Podsumowanie:
We wpisie przedstawiłem schemat blokowy, schemat elektryczny oraz projekt PCB wraz ze wskazaniem błędów. W kolejnych wpisach przedstawimy montaż, algorytm działania programu, uruchomienie, stworzenie obudowy oraz działanie sterownika na instalacji.