Admin

Украшаем колесо велосипеда

А. ПАХОМОВ, г. Владимир

Описано простое устройство динамической подсветки вращающегося колеса велосипеда. Оно позволяет получить на колесе статическое монохромное изображение любой записанной в память микроконтроллера картинки. Рисунок формируется линейкой светодиодов. Использован микроконтроллер ATtiny2313.

Как-то гуляя в парке, я обратил вни-Ь мание на светящиеся в отражённом свете катафоты на вращающихся колёсах проезжавшего мимо велосипеда. Невольно пришла мысль, что если вместо отражателей использовать светящиеся и управляемые микроконтроллером светодиоды, можно получить на колесе практически любое изображение. Оказалось, мысль не нова — уже было опубликовано описание схожего устройства (Мельник В. Пишем в воз-
духе светодиодами. — Радио, 2006, № 10, с. 59), а в интернет-магазинах можно найти и готовые устройства, формирующие световые узоры на вращающемся колесе.

В этой статье рассматривается вариант устройства подсветки, создающий на колесе велосипеда одноцветное изображение из восьми строк по 64 точки в каждой. Для реализации развёртки использована линейка светодиодов, закреплённая на одной из спиц
велосипедного колеса. При его вращении линейка смещается по окружности, синхронно с её перемещением переключаются светодиоды. В результате получаем круговую развёртку с числом концентрических окружностей ("строк"), равным числу светодиодов в линейке. Возможное число точек в "строке” равно времени одного оборота колеса, делённому на период смены состояния светодиодов.

Сразу возникает вопрос, какой должна быть скорость движения вело-сипеда< для создания более-менее связной разборчивой картинки? В кинематографе, например, кадр обновляется 24 раза в секунду. Чтобы достичь такой частоты, велосипед с диаметром колеса около 0,7 м должен двигаться со скоростью 190 км/ч. Это почти равняется рекорду скорости велосипедиста 200 км/ч, достигнутому при движении по идеально ровной поверхности в "воздушном мешке". А на обычном велотреке практически невозможно достичь скорости 90 км/ч. Печально... Но практика показала, что при пониженной внешней освещённости и известной доле фантазии наблюдателя можно увидеть связную картинку и при значительно меньшей скорости "развёртки".

Решение поставленной задачи довольно простое. В памяти микроконтроллера хранится образ формируемого изображения. Через заданные интервалы времени информация о содержимом очередной "колонки" растра подаётся на светодиоды. Начало "кадра" задаёт установленный на колесе геркон, проходя рядом с закреплённым на вилке колеса магнитом. По его сигналам развёртка изображения повторяется.

Схема устройства подсветки показана на рис. 1. Микроконтроллер DD1 (ATtiny2313-20PU) через порт В управляет светодиодами HL1—HL8 линейки. Светодиод HL9, подключённый к выходу РАО, служит контрольным индикатором. При напряжении питания, не превышающем 3 В, ограничение тока светодиодов резисторами не требуется. На допустимом уровне его ограничивают внутренние защитные цепи выходов микроконтроллера.

Геркон SF1 подключён к входу запросов внешних прерываний INTO (PD2) микроконтроллера. Сигналы с геркона запускают каждый цикл развёртки изображения.

Питается устройство от двух гальванических элементов типоразмера ААА. Выключатель питания отсутствует, устройство выключают, вынимая элементы из батарейного отсека.

Алгоритм программы устройства подсветки реализован в среде разработки Algorithm Builder for AVR. Его блок-схема представлена на рис. 2.

После подачи питания в главной процедуре программы проходит инициализация узлов микроконтроллера. Включается обработка внешних прерываний INTO по нарастающим перепадам сигнала на входе PD2. Таймер 0 настраивается на формирование запросов прерываний с периодом около 4 мс. Линии портов РВО—РВ7 и РАО конфигурируются как выходы. Светодиодная линейка HL1—HL8 выключается, а контрольный светодиод HL9 включается. Содержимое EEPROM копируется в буфер в оперативной памяти микроконтроллера. После этого главная процедура входит в бесконечный пустой цикл, а микроконтроллер откликается только на запросы прерываний.

По прерываниям от таймера на линии порта В выводится информация из буфера в оперативной памяти (колонки изображения). Процедура обработки прерывания организована так, что новое состояние светодиодов устанавливается только при каждом втором её вызове. Поэтому период смены состояния светодиодов — примерно 8 мс, а продолжительность полной развёртки изображения (64 колонки) — примерно полсекунды. Это соответствует развёртке изображения "во всё колесо" при скорости движения велосипеда около 4 м/с (14 км/час). При большей скорости на колесе успеет отобразиться только часть изображения, при меньшей скорости занятый изображением сектор сужается.

Обработка внешнего прерывания возвращает счётчик колонок в исходное состояние. Поэтому каждый оборот колеса сопровождается развёрткой изображения с начала, и наблюдателю оно кажется неподвижным.

В приложенном к статье файле bl2a.hex находятся коды, которые нужно загрузить с помощью программатора во FLASH-память микроконтроллера устройства подсветки до его установки в панель на плате устройства. Конфигурация микроконтроллера должна быть запрограммирована в соответствии с рис.3.


Образ формируемого устройством изображения хранится в EEPROM микроконтроллера. Изображение разбито на 64 колонки по 8 элементов в каждой и занимает 64 байта. Старший разряд ячейки памяти соответствует верхнему светодиоду линейки (HL8), а младший — нижнему (HL1). Программа построена так, что при программировании микроконтроллера информация, загружаемая в EEPROM микроконтроллера, считывается из текстового файла с именем 64X8.TXT.

Этот файл формирует программа BMP2HEX.EXE (она тоже есть в приложении), которая преобразует файл изображения формата BMP в требуемый текстовый файл. Исходный файл должен быть монохромным рисунком размерами 64x8 пкс. Формат командной строки:

..\>bmp2hex.exe f i 1 е.bmp

Вместо текстового файла программа BMP2HEX.EXE может готовить простой двоичный файл. Для этого перед именем исходного BMP-файла следует указать ключ Ь:

..\>bmp2hex.exe b file.bmp


Этот файл потребуется, если для загрузки кодов программы в микроконтроллер используются не средства Algorithm Builder, а какая-нибудь другая программа управления программатором.

Изображение в формате BMP можно создать с помощью входящей в комплект "Windows" программы Paint (mspaint.exe). В окне "Свойства” этой программы выбирают режим "Чёрнобелый" и размер рабочего поля 64 на 8. На закладке "Вид" увеличивают масштаб до максимального и для удобства рисования включают отображение сетки. Пользуясь инструментами программы Paint, создают нужное чёрно-белое изображение (рис. 4). Сохраняют созданное изображение командой "Сохранить как...", выбрав тип файла "Монохромный рисунок".

Печатная плата для устройства подсветки не разрабатывалась. Монтаж выполнен на макетной плате размерами 50x25 мм (рис. 5). В качестве светодиодов HL1—HL9 использованы три отрезка по три светодиода светодиодной ленты с плотностью 60 светодиодов на метр. Чтобы изолировать светодиоды один от другого, соединяющие их проводники ленты перерезаны ножом. С платой микроконтроллера светодиоды соединены жгутом проводов МГТФ.

Отрезки ленты приклеены к жёсткому стержню подходящей длины — я использовал японскую палочку для еды. Получившаяся конструкция упакована в полупрозрачную термоусаживаемую трубку. Геркон SF1 и управляющий им магнит — отдатчика ИО-102. Геркон укреплён на плате с таким расчётом, чтобы он был самой выступающей её частью.

Светодиодная линейка закреплена на спице колеса липкой лентой. Ближе к ступице той же лентой прикреплена к спицам плата с микроконтроллером. Геркон должен быть обращён к вилке колеса, но не касаться её при вращении. На вилке липкой лентой закреплён магнит так, чтобы геркон чётко срабатывал при вращении колеса. Отсек с элементами питания закреплён на спицах колеса в удобном для извлечения элементов месте. На рис. 6 показан фотоснимок устройства, установленного на велосипедном колесе.


Для проверки работы собранного устройства подсветки подайте на него питание, не устанавливая в панель микроконтроллер. Проверьте полярность и значение поданного напряжения между гнёздами 20 (+) и 10 (-) панели. Затем поочерёдным соединением гнезда 20 с её гнёздами 5, 12—19 через резистор сопротивлением около 100 Ом проверьте правильность подключения светодиодов по их свечению.

Желательно удостовериться в чётком срабатывании геркона SF1 при вращении колеса. Для этого можно временно подключить любой светодиод анодом через такой же резистор к гнезду 20, а катодом — к гнезду 6 панели. При срабатывании геркона светодиод должен вспыхивать.
После установки правильно запрограммированного микроконтроллера в панель и подачи питания контрольный светодиод HL9 должен кратковременно вспыхивать приблизительно один раз в секунду. После каждого срабатывания геркона некоторое время должно наблюдаться "перемигивание" светодиодов линейки — формируется развёртка изображения. Пример синтезированного изображения (название населённого пункта Горки с плюсами и квадратом) показан на рис. 7.

Чтобы получить лучшее изображение при меньшей скорости движения велосипеда, устройство подсветки было доработано. Вместо одной линейки светодиодов на колесе были установлены сразу три. Оказалось, что число спиц велосипедного колеса кратно трём, потому углы между линейками легко получились равными 120°. Теоретически такое решение позволяет достичь одинакового с исходным вариантом качества изображения при втрое меньшей скорости движения велосипеда.
Схема доработанного устройства показана на рис. 8. Ввиду недостаточного числа выводов использованного микроконтроллера пришлось использовать динамическую индикацию — питание на линейки светодиодов подаётся через ключи на транзисторах VT1—VT3.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК