§ 9. Модуль Ke-Box :: Управление нагрузками с помощью ШИМ
|
Дмитрий Иванов, 22 декабря 2010
|
Крайне интересной особенностью модуля Ke-Box являются наличие встроенного канала ШИМ. С помощью этого аппаратного ресурса можно программно регулировать мощность подводимую к какй-либо нагрузке. В результате мы можем плавно менять яркость свечения лампочки, плавно менять скорость вращения электродвигателя. и т.д.
|
Немного теории. ШИМ расшифровывается как "широтно-импульсная модуляция". Это режим генерации импульсного сигнала в котором период следования импульсов неизменен, а вот их скважность может изменяться (отношение периода импульса к его длительности). Рассмотрим Рисунок 1. На нем представлены графики двух импульсных сигналов. Хорошо видно что их периоды совпадают, но вот длительность импульсов на первом графике отличается от второго.
![Описание ШИМ](img/KA009/PWM_75.jpg)
Рисунок 1. Широтно-импульсная модуляция
Что произойдет, если сигнал такой формы подать на нагрзку, например электролампочку? Ответ: мы получим различную яркость свечения лампочки. Чем ближе длительность импульса к его периоду (просто постоянный уровень сигнала), тем большую мощность получит лампочка и соответственно тем ярче она будет светиться.
Модуль Ke-Box имеет в своем составе специальный выход, позволяющий генерировать ШИМ сигнал. Мы можем управлять формой этого сигнала путем отправки команды модулю. Общая схема подключения нагрузки к ШИМ выводу Ke-Box показана на рисунке ниже.
![Схема подключения нагрузки к ШИМ](img/KA009/Itog_PWM.jpg)
Рисунок 2. Схема подключения нагрузки к ШИМ выводу модуля Ke-Box
Для роботы с ШИМ необходимы две клеммы - PWM и GND. "Снаружи" модуля остаются источник питания для нагрузки и собственно сама нагрузка. Обратите внимание что в качестве источника допустимы только источники постоянного напряжениея величной не более 30 В. Как же это все работает? Внутри модуля Ke-Box "спрятан" мощный полевой транзистор который в соответствие с формой ШИМ сигнала генерируемого микропроцес-сором модуля "открывается" (пропускает через себя ток) или "закрывается" (не пропускает). Этот транзистор включается в цепь типания нагрузки (через клемму PWM). В результате на нагрузку подается напряжение в соответствие с законом изменения формы ШИМ сигнала.
Довольно теории, давайте перейдем к практике. Давайте посмотрим как можно с помощью Ke-Box плавно менять яркость свечения электролампочки.
|
![Управление яркостью лампочки через USB](img/KA009/Bubl_PWM.jpg)
Рисунок 3. Электролампочка P21W в качестве нагрузки
В качестве нагрузки возьмем обычную автомобильную лампочку P21W рассчитанную на 12 В мощностью 21 Вт. В качестве источника питания можно взять напрмер автомобильный аккамулятор или сетевой трансформатор на 12 В, но мне для тестов гораздо сподручнее оказался регулируемый лабораторный источник питания. Внешне схема подключения лампочки к Ke-Box может выглядеть как на рисунке ниже. Обратите внимание что '-' источника питания подключается к клемме GND. По умолчанию (после включения модуля) мощность ШИМ сигнала равна нулю. Что собственно мы и наблюдаем - лампочка потушена.
![ШИМ Ke-Box](img/KA009/Ke-Box_PWM0.jpg)
Рисунок 4. Мощность ШИМ сигнала (коэффициент заполнения) по умолчанию равна нулю. Лампочка потушена.
Для изменения параметров ШИМ сигнала необходимо подать соответствующую команду управления модулю. Это можно сделать с помощью штатной программы управления модулем Ke-Box Boxer. И как и прежде, используя открытый командный интерфейс мы можем подать необходиму команду через любой терминал или непосредственно из нашей собственной программы в COM порт, ассоцированный с модулем. Давайте рассмотрим использование штатного программного обеспечения. Запускаем программу, подключаемся к модулю зная COM порт модуля. Управление мощность ШИМ осуществляется ползунком в нижней части окна программы. Крайнее левое положение ползунка соответсвует нулей мощности (0%), крайнее правое - максимальной мощности (100%). Давайте установим мощность ШИМ сигнала порядка 50%, в данном случае 53%.
Рисунок 5. Устанавливаем мощность ШИМ сигнала на уровень 53%.
Мы видим что при этом лампочка начинает слегка гореть, а амперметр источника питания показывает что по цепи идет ток порядка 0.8 А. Это означает что на лампа развивает 12 В x 0.8 = 9.6 Вт мощности, что как раз примерно соответствует половине ее штатной мощности (21 Вт).
![Управление с помощью ШИМ](img/KA009/Ke-Box_PWM40.jpg)
Рисунок 6. Мощность ШИМ - 53%. Лампочка горит неярко.
Увеличиваем мощность ШИМ сигнала до 73%. При этом яркость свечения лампочки увеличивается и соответственно увеличивается величина тока, протекающего через нее.
Рисунок 7. Устанавливаем мощность ШИМ сигнала на уровень 73%.
![Микроконтроллер ШИМ PWM](img/KA009/Ke-Box_PWM80.jpg)
Рисунок 8. Мощность ШИМ - 73%. Лампочка горит ярче.
Ну и наконец предсказуемое действие - доводим мощность до 100%. При этом лампочка горит максимально ярко, развивая 100% своей потенциальной мощности в 21 Вт.
Рисунок 7. Устанавливаем мощность ШИМ сигнала на уровень 100%.
![Плавное изменение мощности подводимой к нагрузке](img/KA009/Ke-Box_PWM100.jpg)
Рисунок 8. Мощность ШИМ - 100%. Лампочка горит максимально ярко.
Здесь на рисунке ниже показана в приближенном виде схема подключения лампочки к модулю. Проводники заводятся внутрь корпуса через соответствующий сальник и подключаются к клеммам PWM и GND. Имеется несколько клемм с именем GND - вы можете использовать любую из них - разницы ни какой нет.
![Подключение нагрузки к ШИМ модуля Ke-Box](img/KA009/Ke-Box_PWM_Pins.jpg)
Рисунок 9. Подключение нагрузки к ШИМ модуля Ke-Box
На рассматриваемых фотографиях корпус модуля удален для удобства проведения тестирования и наглядности фотосъемки. В реальной жизни рекомендуется после подготовки и полной наладки системы собрать модуль в исходное состояние закрыв крушку. Это обеспечит повышенную герметичность и защиту электронной начинки модуля от неблагопри- ятных внешних воздействий.
© Дмитрий Иванов
22 декабря 2010 года
http://www.kernelchip.ru