ШИМ управление RGB светодиодом на микроконтроллере PIC12F629. Схема управления RGB светодиодами

В данной статье мы расскажем о цветных светодиодах, отличии простого RGB-светодиода от адресуемого, дополним информацией о сферах применения, о том, как они работают, каким образом осуществляется управление со схематическими картинками подключения светодиодов.

Светодиоды – электронный компонент, способный излучать свет. Сегодня они массово применяются в различной электронной технике: в фонариках, компьютерах, бытовой технике, машинах, телефонах и т.д. Многие проекты с микроконтроллерами так или иначе используют светодиоды.

Основных назначений у них два :

Демонстрация работы оборудования или оповещение о каком-либо событии;
применение в декоративных целях (подсветка и визуализация).

Внутри светодиод состоит из красного (red), зеленого (green) и синего (blue) кристаллов, собранных в одном корпусе. Отсюда такое название – RGB (рис.1).

2. С помощью микроконтроллеров

С помощью него можно получить множество различных оттенков света. Управление RGB-светодиодом осуществляется с помощью микроконтроллера (MK), например, Arduino (рис.2).

Конечно, можно обойтись простым блоком питания на 5 вольт, резисторами в 100-200 Ом для ограничения тока и тремя переключателями, но тогда управлять свечением и цветом придется вручную. В таком случае добиться желаемого оттенка света не получится (рис.3-4).

Проблема появляется тогда, когда нужно подсоединить к микроконтроллеру сотню цветных светодиодов. Количество выводов у контроллера ограничено, а каждому светодиоду нужно питание по четырем выводам, три из которых отвечают за цветность, а четвертый контакт является общим: в зависимости от типа светодиода он может быть анодом или катодом.

3. Контроллер для управление RGB

Для разгрузки выводов МК применяются специальные контроллеры WS2801 (5 вольт) или WS2812B (12 вольт) (рис.5).

С применением отдельного контроллера нет необходимости занимать несколько выходов MK, можно ограничиться лишь одним сигнальным выводом. МК подает сигнал на вход «Data» управляющего контроллера светодиода WS2801.

В таком сигнале содержится 24-битная информация о яркости цвета (3 канала по 8 бит на каждый цвет), а также информация для внутреннего сдвигового регистра. Именно сдвиговый регистр позволяет определять, к какому светодиоду информация адресовывается. Таким образом можно соединять несколько светодиодов последовательно, при этом использовать все так же один вывод микроконтроллера (рис.6).

4. Адресуемый светодиод

Это RGB-светодиод, только с интегрированным контроллером WS2801 непосредственно на кристалле. Корпус светодиода выполнен в виде SMD компонента для поверхностного монтажа. Такой подход позволяет расположить светодиоды максимально близко друг другу, делая свечение более детализированным (рис.7).

В интернет-магазинах можно встретить адресные светодиодные ленты, когда в одном метре умещается до 144 штук (рис.8).

Стоит учесть, что один светодиод потребляет при полной яркости всего 60-70 мА, при подключении ленты, например, на 90 светодиодов, потребуется мощный блок питания с током не менее 5 ампер. Ни в коем случае не питайте светодиодную ленту через контроллер, иначе он перегреется и сгорит от нагрузки. Используйте внешние источники питания (рис.9).

5. Недостаток адресуемых светодиодов

Адресуемая светодиодная лента не может работать при слишком низких температурах: при -15 контроллер начинает подглючивать, на более сильном морозе велик риск его выхода из строя.

Второй недостаток в том, что если выйдет из строя один светодиод, следом по цепочке откажутся работать и все остальные: внутренний сдвиговый регистр не сможет передать информацию дальше.

6. Применение адресуемых светодиодных лент

Адресуемые светодиодные ленты можно применять для декоративной подсветки машины, аквариума, фоторамок и картин, в дизайне помещений, в качестве новогодних украшений и т.д.

Получается интересное решение, если светодиодную ленту использовать в качестве фоновой подсветки Ambilight для монитора компьютера (рис.10-11).

Если вы будете использовать микроконтроллеры на базе Arduino, вам понадобится библиотека FastLed для упрощения работы со светодиодной лентой ().

Продолжаем осваивать ШИМ, на этот раз для управления цветом RGB светодиода.

По сути, RGB светодиод совмещает в себе три обычных светодиода — красный, зеленый и синий.

Соответственно у RGB светодиода 4 ножки: для управления каждым из цветов используется по одной ножке и одна общая (обычно самая длинная). Общим может быть как катод(-), так и анод(+). На схеме приведен пример, для схемы с общим анодом.

Примечательно то, что смешивая эти 3 цвета можно получить практически любой другой цвет. Если зажечь все 3 светодиода одновременно, получится белый цвет.

Теперь о реализации, мне достался светодиод с общим катодом, номинальный ток, которого по даташиту составлял 20мА. Однако, есть небольшой нюанс, у каждого цвета свой порог зажигания. Например, у красного светодиода, 20мА соответствовало напряжению 2.1В, зеленому и синему — напряжение 3.2В. В целом ножка микроконтроллера должна выдерживать такой ток, поэтому можно смело подключать через токоограничивающие резисторы к микроконтроллеру.
Я же использовал pnp транзисторы, однако эту идею никому не навязываю.

У Atmega8 есть 3 канала ШИМ: два канала на таймере1(ножки PB.1 — OCR1A, PB.2 — OCR1B) и один таймере2(ножка PB.3 — OCR2). Регулируя заполнение ШИМ, мы регулируем напряжение на светодиоде, соответственно его яркость.

Создаем новый проект, настраиваем таймер2.

Так как OCR2 8-битный, а OCR1 10-битный, то максимальное значение OCR2=0хFF(255), а OCR1A/B=0х3FF(1023), т.е. в 4 раза больше. Учитываем эту особенность, поэтому чтобы каналы регулировались одинаково, настраиваем частоту таймера в 4 раза больше. Соответственно, максимальная яркость для OCR2 будет при 0xFF, а для OCR1 при 0x3FF.

Настраиваем ножки PB1-PB3 как выход. В основной цикл программы дописываем код, который плавно зажигает красный от 0 до 255, а затем плавно тушит его от 255 до 0.

while(OCR1A<0x3FF) { OCR1A++; delay_ms(2); } while(OCR1A>0x00) { OCR1A--; delay_ms(2); }

Результат:

Если нужно получить, некоторый определенный цвет, например пурпурный, открываем какой нибудь графический редактор, например Paint.net заходим в палитру нажимаем на понравившийся цвет, справа, где написано RGB отобразятся его числовые значения R=255, B=220.

Канал R у меня на OCR2, поэтому смело в OCR2 записываем 0xFF(255), канал B на OCR1A, но т.к. максимальное значение 1023, то по пропорции пересчитываем:

(220*1023)/255=882 вот его смело пихаем в OCR1A, результат довольно таки похож.

Для управления этими устройствами используется RGB-контроллер. Но, кроме него, в последние годы применяется плата Arduino.

Ардуино – принцип действия

плата Arduino

Плата Ардуино – это устройство, на котором установлен программируемый микроконтроллер. К нему подключены различные датчики, органы управления или encoder и, по заданному скетчу (программе), плата управляет моторами, светодиодами и прочими исполнительными механизмами, в том числе и другими платами Ардуино по протоколу SPI. Контроль устройства может осуществляться через дистанционный пульт, модуль Bluetooth, HC-06, Wi-Fi, ESP или internet, и кнопками. Одни из самых популярных плат – Arduino Nano и Arduino Uno, а также Arduino Pro Mini – устройство на базе микроконтроллера ATmega 328

Внешний вид Arduino Pro Mini

Внешний вид Arduino Uno

Внешний вид Arduino micro

Программирование осуществляется в среде Ардуино с открытым исходным кодом, установленным на обычном компьютере. Программы загружаются через USB.

Принцип управления нагрузкой через Ардуино

управление Arduino

На плате есть много выходов, как цифровых, имеющих два состояния — включено и выключено, так и аналоговых, управляемых через ШИМ-controller с частотой 500 Гц.

Но выходы рассчитаны на ток 20 – 40 мА с напряжением 5 В. Этого хватит для питания индикаторного RGB-светодиода или матричного светодиодного модуля 32×32 мм. Для более мощной нагрузки это недостаточно.

Для решения подобной проблемы во многих проектах нужно подключить дополнительные устройства:

Реле. Кроме отдельных реле с напряжением питания 5В есть целые сборки с разным количеством контактов, а также со встроенными пускателями.
Усилители на биполярных транзисторах. Мощность таких устройств ограничена током управления, но можно собрать схему из нескольких элементов или использовать транзисторную сборку.
Полевые или MOSFET-транзисторы. Они могут управлять нагрузкой с токами в несколько ампер и напряжением до 40 – 50 В. При подключении мосфета к ШИМ и электродвигателю или к другой индуктивной нагрузке, нужен защитный диод. При подключении к светодиодам или LED-лампам в этом нет необходимости.
Платы расширения.

Подключение светодиодной ленты к Ардуино

подключение светодиодной ленты к Arduino

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

Arduino Nano могут управлять не только электродвигателями. Они используются также для светодиодных лент. Но так как выходные ток и напряжение платы недостаточны для прямого подключения к ней полосы со светодиодами, то между контроллером и светодиодной лентой необходимо устанавливать дополнительные приспособления.

Через реле

Подключение через реле

Реле подключается к устройству на цифровой выход. Полоса, управляемая с его помощью имеет только два состояния — включенная и выключенная. Для управления red-blue-green ленточкой необходимы три реле. Ток, который может контролировать такое устройство, ограничен мощностью катушки (маломощная катушка не в состоянии замыкать большие контакты). Для подсоединения большей мощности используются релейные сборки.

С помощью биполярного транзистора

Подключение с помощью транзистора

Для усиления выходного тока и напряжения можно использовать биполярный транзистор. Он выбирается по току и напряжению нагрузки. Ток управления не должен быть выше 20 мА, поэтому подается через токоограничивающее сопротивление 1 – 10 кОм.

Транзистор лучше применять n-p-n с общим эмиттером. Для большего коэффициента усиления используется схема с несколькими элементами или транзисторная сборка (микросхема-усилитель).

С помощью полевого транзистора

Кроме биполярных, для управления полосами используются полевые транзисторы. Другое название этих приборов – МОП или MOSFET-transistor.

Такой элемент, в отличие от биполярного, управляется не током, а напряжением на затворе. Это позволяет малому току затвора управлять большими токами нагрузки – до десятков ампер.

Подключается элемент через токоограничивающее сопротивление. Кроме того, он чувствителен к помехам, поэтому выход контроллера следует соединить с массой резистором в 10 кОм.

С помощью плат расширения

Подключение Arduino с помощью плат расширения

Кроме реле и транзисторов используются готовые блоки и платы расширения.

Это может быть Wi-Fi или Bluetooth, драйвер управления электродвигателем, например, модуль L298N или эквалайзер. Они предназначены для управления нагрузками разной мощности и напряжения. Такие устройства бывают одноканальными – могут управлять только монохромной лентой, и многоканальными – предназначены для устройств RGB и RGBW, а также лент со светодиодами WS 2812.

Пример программы

Arduino и светодиодная лента

Платы Ардуино способны управлять светодиодными конструкциями по заранее заданным программам. Их библиотеки можно скачать с официально сайта , найти в интернете или написать новый sketch (code) самому. Собрать такое устройство можно своими руками.

Вот некоторые варианты использования подобных систем:

Управление освещением. С помощью датчика освещения включается свет в комнате как сразу, так и с постепенным нарастанием яркости по мере захода солнца. Включение может также производиться через wi-fi, с интеграцией в систему «умный дом» или соединением по телефону.
Включение света на лестнице или в длинном коридоре. Очень красиво смотрится диодная подсветка каждой ступеньки в отдельность. При подключении к плате датчика движения, его срабатывание вызовет последовательное, с задержкой времени включение подсветки ступеней или коридора, а отключение этого элемента приведет к обратному процессу.
Цветомузыка. Подав на аналоговые входы звуковой сигнал через фильтры, на выходе получится цветомузыкальная установка.
Моддинг компьютера. С помощью соответствующих датчиков и программ цвет светодиодов может зависеть от температуры или загрузки процессора или оперативной памяти. Работает такое устройство по протоколу dmx 512.
Управление скоростью бегущих огней при помощи энкодера. Подобные установки собираются на микросхемах WS 2811, WS 2812 и WS 2812B.

Видеоинструкция

Rgb светодиоды, которые иногда называют 3-хцветными, являются ничем иным, как красным, зеленым и синим диодом, совмещенными в едином корпусе. Зная об этом, несложно представить себе, как устроены rgb светодиоды. Для каждого из 3-х цветов существует своя ножка-катод, и ещё одна – общий анод. Вывод под анод является самым длинным, а катоды обычно располагаются в следующем порядке:

синий;
зеленый;
красный.

Чтобы заставить устройство светиться одним из указанных цветов, на соответствующий катод требуется подать сигнал. Если же нужен какой-то другой оттенок, его можно получить при использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM-сигнал). Количество получаемых в итоге цветов зависит от того, как реализовано управление и разрядности ШИМ. Белый цвет тоже довольно просто получить – для этого нужно лишь зажечь все светодиоды одновременно.

Rgb светодиоды могут иметь и другое строение, которое и определяет их основные характеристики (насколько они мощные и т.д.). В случае реализации устройства с общим катодом для каждого из цветов установлен собственный порог зажигания, отделенный от следующего парой вольт. Устройства с общим «+» включают нужный светодиод при значении «0» на выходе микроконтроллера, а с общим «-» - при «1».

Управление rgb светодиодами может быть реализована на 8-битных микроконтроллерах семейства Pic, AVR (ATtiny, ATmega) и более мощных моделях, программа для которых составляется на ассемблере.

По идее ножки микроконтроллеров должны быть рассчитаны на некую величину проходящего тока, но rgb светодиоды можно подключать через токоограничивающий резистор или pnp транзистор.

Управление rgb светодиодами

Управление светодиодами заключается в установке нужного значения их параметров. Для этого на выходы следует подавать прямоугольные импульсы определенной скважности, которые будут влиять на величину среднего тока, и, соответственно, средней яркости.

При недостаточной частоте импульсов светодиоды будут мигать. Чтобы они светили постоянно, нижний порог частоты должен быть около 60-70 Гц (мониторы старых моделей), а в идеале – не меньше 100 Гц (более мощные и современные).

При простейшей реализации управление RGB-светодиодом потребует 3 ШИМ. Сама схема не так сложна в реализации, даже если устройства довольно мощные. Задача скорее в правильной реализации программной части.

Контроллеры младших серий, как правило, не имеют не только 3 ШИМ, но даже 3-х таймеров с прерываниями (на базе которых легко реализовать ШИМ). То, как будет реализована схема управления, следует рассматривать на конкретных примерах, в зависимости от архитектуры конкретного устройства.

Теоретическая база для реализации схемы управления rgb светодиодами

Для начала следует вспомнить, что же такое ШИМ. Коротко, это режим работы устройства, при котором коэффициент заполнения (уровень сигнала) регулируется микросхемой по заданным алгоритмам.

Для реализации канала ШИМ нужно знать:

алгоритм определения коэффициента заполнения (устанавливается пользователем);
отсчет времени для сигнала верхнего уровня;
время всего импульса.

При практической реализации для этого потребуются 2 счетчика, которые будут работать по следующему алгоритму:

Запуск счетчиков, выход выставлен в «1».
Прерывание счетчика №1 (время верхнего уровня), выход переключается на «0».
Счетчик №1 выключается.
Прерывание счетчика №2 – повтор всех операций с начала.

Получается, что схема управления rgb светодиодом, вне зависимости от того, насколько устройства мощные, должна включать в себя по 2 счетчика для канала ШИМ, то есть 6 в сумме.

Даже если сделать длительность импульса одинаковой для всех каналов, их количество сократится на 2. У простых контроллеров никак не наберется 4 счетчика, но не стоит забывать, что отчет времени дискретен.

Здесь нужно подобрать квант времени, которому будут кратны длительности импульсов на каждом канале.

T=1/(f*(2 n -1)),

n – значение разрядности ШИМ;

f – частота.

Схема может включать в себя 1 счетчик для отсчета интервала Т. Чтобы он выполнял требуемую функцию, следует задать 4 установки:

Количество отсчетов верхнего уровня для 1 канала ШИМ.
Количество отсчетов верхнего уровня для 2 канала ШИМ.
Количество отсчетов верхнего уровня для 3 канала ШИМ.
Общая длительность импульса.

Прочие операции для программного счетчика (переключение, обнуление и т.д.) совершаются по прерываниям аппаратного.

Данный алгоритм – всего лишь пример схемы управления, работа которой может существенно отличаться, в зависимости от используемого микроконтроллера а также от того, как именно планируется использовать светодиоды. Более мощные устройства могут работать также на светодиодных лентах.

Выделенные цветовые зоны в спальне или гостиной – это всегда эстетично и красиво. Конечно, для того чтобы грамотно выполнить все работы по монтажу потолка, установке светодиодной ленты и всего сопутствующего оборудования, нужно немало потрудиться. Но зато результат будет радовать при правильном исполнении очень долго.

Ассортимент цветных светодиодных лент достаточно обширен и их правильный выбор – дело довольно сложное. И все же, какими бы идеальными они ни были, для их правильной работы необходим блок питания 12 В (реже 24 В) и, конечно же, блок управления с параметрами, подходящими именно под выбранную световую полосу.

Но что же такое этот RGB-контроллер, какие функции он выполняет? И если он так необходим, возможно ли его изготовить своими руками в домашних условиях?

Принцип работы

По своей сути контроллер RGB – это мозг домашней подсветки. Все команды, подаваемые с пульта дистанционного управления, им обрабатываются, а уже после нужный сигнал подается на светодиодную ленту, зажигая тот или иной цвет. Проще говоря, именно подобным электронным устройством осуществляется полное управление RGB-лентой.

Контроллеры различаются как по мощности, так и по количеству выходов, т. е. подключаемых к нему световых полос. Есть устройства с пультом, а бывают и без ПДУ. Также есть различие и по сигналу, поступающему на ленту, т. к. полоса может быть либо аналоговой, либо цифровой. Различие между ними существенное, а вот сходство одно. Все они работают только с блоком питания (трансформатором), потому как светодиодная полоса имеет номинальное напряжение в 12 В, а не 220, как думают некоторые.

Дело в том, что аналоговая светодиодная лента при получении сигнала с прибора управления зажигается тем или иным, но одним цветом по всей длине. У цифровой же есть возможность включения каждого светодиода отдельным цветом. А потому и RGB-контроллер для цифровой световой полосы более высокотехнологичен и стоимость его выше.

Варианты подключения

Естественно, что самым простым способом подключения устройства управления RGB станет вариант, при котором подключена лишь одна светодиодная полоса или ее часть. Но такой способ не совсем практичен, хотя он и не требует включения в цепь каких либо дополнительных приборов. Дело все в том, что на одну линию такого устройства возможно подключение не более 5–6 метров световой полосы, что для подсветки комнаты будет явно недостаточным. Если же длина отрезка будет больше, то на ближайшие к контроллеру светодиоды возрастет нагрузка, в результате чего они просто перегорят.

Еще одна проблема при подключении длинных светодиодных полос – большая нагрузка по мощности на тончайшие провода RGB-светодиодной ленты. При их нагреве пластиковое основание начинает плавиться, и в итоге жилы остаются без изоляции либо просто прогорают.

А потому при необходимости осветить более длинные расстояния применяются следующие способы и схемы подключения.

Две светодиодные ленты

При таком подключении к контроллеру для RGB-световой полосы понадобится два устройства питания и усилитель. Особенность подобного подключения в том, что отрезки ленты должны подключаться именно параллельно. Хотя у них и одно, общее электронное устройство управления, питание должно подаваться на каждую в отдельности. Усилитель же используется для более ясного и четкого света диодов.

Иными словами, напряжение поступает на оба блока питания, после чего с одного из них идет на усилитель и далее на световую полосу. Со второго блока питание поступает на электронный блок управления. Между собой устройство управления и усилитель связаны второй светодиодной лентой. Схематически такое подключение выглядит как на схеме выше.

При таком подключении желательно применять также два блока питания, но если они имеют большой выход мощности, то можно воспользоваться и одним.

Четыре отрезка по пять метров подключаются опять же параллельно. Пара полос напрямую подключена к контроллеру, вторая пара к нему же, но через усилитель сигнала. При подключении второго блока питания напряжение от него идет напрямую на усилитель. Выглядит подобное подключение примерно как на картинке выше.

Разобравшись с методами подключения контроллеров и их видами, можно попробовать сделать такой прибор своими руками в домашних условиях. Необходимо лишь помнить, что нужно соизмерять мощность устройства и его выходное напряжение с длиной и энергопотребляемостью светодиодной ленты.

Контроллер своими руками

Схема подобного прибора не сложна, единственный минус в том, что у изготовленного своими руками контроллера будет мало каналов, хотя для домашнего использования этого вполне достаточно.

Наверняка у каждого в квартире найдется неисправная китайская гирлянда с маленькой коробочкой – блоком управления устройством. Так вот, основные детали как раз будут браться из нее.

Схема контроллера, сделанного своими руками

Как раз внутри этого блока управления гирляндой можно увидеть три тиристорных выхода. Это и будут направления R, G и B.

Как раз к ним и следует подключить светодиодную полосу. Никакого охлаждения тиристорам не требуется, ну а отсутствие блока питания легко решается. Не будет большой проблемой найти неисправный системный блок компьютера. Так вот трансформатор от него идеально подойдет для этой цели. И в итоге сэкономить получится не только на покупке контроллера, но и на приобретении блока питания, причем блок питания может стоить в разы дороже, чем само устройство управления светодиодной RGB-лентой.

Конечно, никакого пульта дистанционного управления не будет, но все же можно подключить светодиодную RGB-ленту к трехклавишному выключателю, не потратив ни копейки на приобретение дополнительных устройств.

Стоит ли игра свеч?

Если рассуждать с точки зрения логики обычного человека, не увлеченного радиотехникой, то, конечно, купить дешевый RGB-контроллер будет ненамного дороже. К тому же при этом не будет потеряно время на изготовление своими руками подобного прибора. Но для настоящего радиолюбителя, а иногда и просто увлеченного человека, собрать подобный прибор самому во сто крат приятнее, нежели приобретать где-то. А потому попробовать изготовить RGB-контроллер своими руками стоит. Ведь удовольствие от проделанной, а к тому же еще и удачной работы не заменит ничто.