Nachttischlampe

Einleitung

Ausgehend von den von den Unzulänglichkeiten meiner bisherigen Nachttischlampe und der mich nicht überzeugenden Funktion einer Beleuchtung für den Schlafraum eines niederländischen Herstellers, entstand die Idee zu diesem Projekt. Im Ergebnis ergeben sich ein angenehmeres Aufstehen, mehr Komfort und die Möglichkeit bei einem von zwei Personen bewohntem Schlafzimmer einander weniger zu stören.

Features für den Nutzer

Zwei separate Beleuchtungskanäle
- Hintergrundbeleuchtung
- Leselicht
Intuitive Bedienung über einen Drehencoder mit Tastfunktion
- Dynamische Schrittweitenanpassung für die schnelle und genaue Einstellung der Helligkeit und anderer Werte
Anzeige mit 16x2 hintergrundbeleuchtetem LCD
Anpassung der Helligkeitssteuerung an die Empfindlichkeitskurve des menschlichen Auges
Anpassung der Helligkeit an das Umgebungslicht
Fernbedienbar
Vernetzbar innerhalb eines Raumes
- Synchronlauf der Helligkeiten von Lampen aktivierbar
- Alarmfunktion kann andere Lampen aktivieren
Weck-Funktion
- Bis zu 7 wochentagsabhängige oder - unabhängige Alarme
- Alarme überspringbar
- Alarmsignal durch
  - separat in Zeit und Helligkeit einstellbares Eindimmen von Hintergrund- und Leselicht
  - angenehmes akustisches Signal mit einstellbarer Verzögerung zum Alarmstart und ansteigender Lautstärke

Technische Eigenschaften

LEDs
- Nichia NS6W183 auf Star-Platine
- 4 Stück warmweis für die Hintergrundbeleuchtung
- 2 Stück kaltweiss für das Leselicht
- andere LED Bestückungen bis 5 LED je Strang bei 24V Eingangsspannung möglich
LED-Treiber
- Zwei unabhängige PWM-gesteuerte Kanäle
- Nachführung der PWM-Frequenz zur Vergrößerung des dynamischen Bereiches der LED-Treiber ohne Flackern der Beleuchtung
- Zwei verschiedene Treiber möglich:
  - Diodes ZXLD1362
  - Diodes ZXLD1374
- Hysteric Step-Down-LED-Driver
- maximal 60V, 1A bzw. 1,5A; 24V, 500mA in diesem Projekt
Step-Down Regler für Steuer-Modul
- Zwei verschieden Schaltregler möglich
  - LM2674 ADJ auf 3,3V eingestellt, maximale Eingangsspannung 40V
  - LT1676 auf 3,3V eingestellt, maximale Eingangsspannung 60V
MCU
- NXP 89LPC936, 8051 mit 2-Takt Kern
- 16k Byte Flash (ca. 10k Byte belegt), 768 Byte RAM, 512 Byte EEPROM, ISP
- 3,3 Volt, niedriger Stromverbrauch
- 6 MHz Takt mittels Resonator, 18 MHz maximal
- 8 Bit DAC und ADC
- 16 Bit CCU mit PLL und 4 Kanälen
LCD
- Electronic Assembly DOGM162W-A mit amber-farbener Hintergrundbeleuchtung
- Hintergrundbeleuchtung mit PWM-Ansteuerung
- Anschluss an MCU via SPI
RTC RV 3029-C2 mit integriertem Quarz
Erzeugung des akustischen Signals
- DDS zur Erzeugung eines sauberen und angenehmen Sinussignals
- Alternativ: Hardware vorbereitet für das Abspielen von unkomprimierten Audiodaten aus 4M Byte Flash
- Ausgabe über DAC im MCU
- Tiefpassfilter 3. Ordnung, 8,6kHz Frequenz , mit 3/4 MCP6404
- Einstellung der Lautstärke in 4 Stufen mit CMOS-Schalter 1/2 74HC4052
- Lautsprecheransteuerung durch Brückenverstärker LM4861
Messung der Umgebungshelligkeit
- Linearer I-U Wandler mit 1/4 MCP6404
- Widerstand über CMOS-Schalter 1/2 74HC4052 1:1000 umschaltbar in 4 Stufen
- 8-Bit ADC der MCU
- Gesamtdynamikbereich von 1:256000
- Moving-Average-Filter mit 64 Datenpunkten
Kommunikation
- Empfängt und sendet IR-Signale gemäß RC5-Protokoll
Stromversorgung
- Phihong, PSAA 30R-240 (30W, 24V)
- Niedrige Standby-Leistung von 300mW
- Ausreichend für zwei Lampen
- Messung der Leistungsaufnahme von der 24V Versorgung am Prototypen mit LM2674 und 2x ZXLD1362:
  - Standby: 170mW
  - Volllast: 11,5W
- Messung der Leistungsaufnahme von der 230V Versorgung an einem Netzteil mit zwei Prototypen mit LM2674 und 2x ZXLD1362:
  - Standby: 0,5W
  - Volllast: 26W
- Messung der Leistungsaufnahme von der 24V Versorgung am Prototypen mit LT1676 und 2x ZXLD1374:
  - Standby: 72mW

Struktur
- Steuerplatine 36x100mm², doppelseitig
- Leistungsplatine 80x100mm², einseitig
- Verbindung über einzelnes 10 pol. Flachbandkabel
- Stromversorgung über Steckernetzteil

Mechanik
- Konstruktion aus eloxierten Aluminium Profilen von Item

Software
- Open Source C für SDCC 3.2
- Verwendet Stromsparmodi der MCU
- State-Machines für Drehencoder und RC5-Dekodierung

Bilder

Design

Symmetrisches Pärchen, Vorder- und Rückseite

Detail Ansteuerung, Vorder- und Rückseite

Detail Leselicht

Lichtwirkung

Leselicht allein mit 10% Helligkeit

Leselicht allein mit 100% Helligkeit

Hintergrundlicht allein mit 10% Helligkeit

Lese- und Hintergrundlicht zusammen mit 100% Helligkeit

Die Bilder wurden alle bei den gleichen fixen Kamera-Einstellungen aufgenommen. Der effektive dimmbare Bereich liegt zwischen 3 und 100%. Zur PWM-Ansteuerung der LEDs wird der quadrierte Wert verwendet.

Beschreibung

Software

Die Software besteht aus folgenden Teilen:

Hauptschleife

Interrupt-Routinen
- RC5 Decoder, ausgelöst durch Timer 0
- Update der Zeit, jede Minute durch RTC ausgelöst
- Drehencoder, ausgelöst durch Timer 1 bei 366Hz
- Update PWM-Werte und einlesen der Tasten, ausgelöst durch Timer aus RTC der MCU bei 25Hz

Ansteuerung des Display via SPI

Initialisierung der MCU
- Core Funktionen, hauptsächliche Stromsparfunktionen
- I/O Pins
- SPI auf Master mit 1,5MHz Takt, MSB first
- I2C auf 375kHz
- ADC fixed channel, single conversion mode für ADC0 bei 3MHz
- DAC
- Interne RTC als 25Hz Taktgeber: 6*10^6/128/25=1875 reload
- Watchdog wird abgeschaltet
- CCU output compare: non-inverted PWM, PLL: auf Lock-in abwarten
- Interrupts freischalten

Auswertung Drehencoder

Helligkeitsmessung

I2C und RTC

Die Funktionen stellen einerseits die Kommunikation via I2C sicher und sind anderseits in der Lage, die RTC nach einem Batteriewechsel automatisch zu konfigurieren, die Zeit zu lesen und zu schreiben. Die Kommunikation via I2C nutzt bisher nicht den zugehörigen Interrupt und ist nicht fehlertolerant.

RC5 Decoder und Sender

Der RC5 Decoder beruht auf einer State-Machine, die schrittweise die einzelnen Bits erkennt und dann in Adresse und Daten zerlegt. Nach der Erkennung eines kompletten Komandos wird steht rCounter auf dem Wert 12 und das Hauptprogramm beginnt mit der Decodierung (Aufruf "DecodeRemote()"). Der Sender ist mittels Bit-Banging realisiert. Aufgrund des strikten Timings werden alle Interrupts abgeschaltet. Die Adresse für die Fernbedienung kann vom Benutzer eingestellt werden oder angelernt werden. Die Adressen für die Kommunikation der Lampen untereinander lauten 27, 28, 29.

Optionsmenü

Setzen der Helligkeit

Auswertung Tasten

Es werden die Tasten entprellt und die Dauer des Tastendrucks wird festgestellt.

Erzeugung des akustischen Signals in "AcusticDDSAlarm()"

Das Sinussignal wird mittels direkter digitaler Signalsynthese erzeugt. Dazu erzeugt ein in einer Schleife laufender Akkumulator mit Hilfe einer Tabelle von Sinuswerten einen Datenstrom der dem DAC zugeführt wird. Frequenz und Dauer der einzelnen Töne wird in einem zweidimensionalen Array in Code abgelegt. Aufgrund des strikten Timings werden alle Interrupts abgeschaltet. Die Helligkeitsmessung wird auch unterbrochen, da die gleichen Pins die Lautstärke steuern. Parallel werden nur die Tasten überwacht.

Elektronik

Die Elektronik gliedert sich in zwei Teile:

Leistungsteil
Steuerung

Der Leistungsteil entspricht im wesentlichen den Applikationsvorschlägen der Hersteller. Um Wechselwirkungen zwischen den Schaltreglern zu reduzieren wurden in den Stromzuführungen PI-Filter mit Feriten und Keramikkondensatoren eingesetzt und die gemeinsame Versorgung über einen größeren schaltfesten Elko abgeblockt. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit sind ferner eine Suppressor-Diode und ein Verpolschutz vorgesehen.

Variante für ZXLD1362 Die einseitige Leiterplatte kann weitestgehend in SMD aufgebaut werden. Wo möglich wurde die Bauform 1206 verwendet, damit auch selbst gefertigte Platinen verwendbar sind. Große Masseflächen dienen auch zur Verteilung der Wärme. Die Anschlussklemmen und der Elko sind so platziert, dass sie im Inneren des Aluminium-Profils Platz finden.

Variante für ZXLD1374 Gegenüber dem Entwurf mit ZXLD1362 wurde ein sparsamer Schaltregler (LT1676) für die Versorgung der Steuerung verwendet. Mit diesem Chip erhöht sich, wenn Kondensatoren und Suppressordiode angepasst werden auch die maximale zulässige Eingangsspannung. Der LED-Treiber lässt sich deutlich besser kühlen und bietet eine bessere Dynamik in der PWM-Ansteuerung bei gleichzeitig höherer Wiederhohlrate. Letzteres reduziert den Stroboskop-Effekt beim Dimmen. Das Gehäuse erfordert jedoch eine doppelseitige Platine mit Durchkontaktierung.

Die Steuerung gruppiert sich um eine MCU von NXP der 8051 Serie. Praktisch ist die 4-kanalige 16-bit CCU mit PLL, die sowohl die beiden LED-Stränge als auch die Hintergrundbeleuchtung des LCD steuern. Das kärgliche On-Chip der klassischen 8051 hat NXP um 512 Byte aufgebessert, was die Programmierung mit dem SDCC erleichtert. Die Einstellungen vom Benutzers werden im internen EEPROM abgelegt. Ein Resonator sorgt für einen genaueren Takt als der interne RC-Oszilator und eine "bequeme, glatte" Frequenz von 6MHz. Als RTC kommt ein externer Baustein mit integriertem Quarz, Temperaturkompensation und Batterieumschaltung zum Einsatz. Damit lässt sich eine sehr gute Frequenzkonstanz erreichen. Die Lithiumbatterie sollte eine Zeit von 220mAh/1µA = 220kh = 25a erreichen. Die Stützbatterie wird durch einen Reihenwiderstand vor Defekten in der Schaltung die zu einem Stromfluss in die Batterie führen könnten geschützt. Der Anschluss der RTC zum Datenaustausch erfolgt über die I2C-Hardware des MCU. Die interne RTC des MCU wird als Timer verwendet. Als Display kommt eine moderne Variante des klassischen 16x2 Zeichen LCD zum Einsatz. Die Modernisierungen betreffen die digitale Kontrast-Einstellung, 3,3V-Betrieb und das SPI mit passend zur MCU geringer Pin-Anzahl. Die Kommunikation per IR erfordert nur das entsprechende Empfangsmodul und einen kleinen MOSFET zur Ansteuerung der Sendediode. Es sind zwei positionen auf der Platine vorgesehen, damit die Richtung der Abstrahlung gewählt werden kann. Falls beide Sendedioden bestückt werden, sollten die Vorwiderstände auf je 10 Ohm verdoppelt werden. Um das den 3,3V Schaltregler und den MOSFET nicht zu überfordern wird die Sendediode nur mit 300mA bei 25% Duty-Cycle betrieben. Ferner sind großzügige keramische Stützkondensatoren vorgesehen. Die Empfänger können parallel betrieben werden, um der Schaltung eine Rund-um-Sicht zu ermöglichen. Recht aufwändig sind dagegen die Messung der Umgebungshelligkeit und die Erzeugung des akustischen Signales geraten. Zu nächst zur Helligkeitsmessung: Für diese Aufgabenstellung gibt es spezialisierte IC, die jedoch schwer erhältlich sind. Deshalb wurde ein Transimpedanzverstärker mit umschaltbarem Rückkoppelwiderstand aufgebaut. Die MCU ist zwar mit einem ADC ausgestattet, jedoch ist deren Dynamikbereich allein nicht ausreichend. Zusammen wird jedoch ein Bereich von 1:255000 entsprechend 108dB abgedeckt. In Software wird das Signal noch gefiltert und die Messwerte, zu die von der Hintergrundbeleuchtung des LCDs oder der IR-Sendediode beeinflusst worden sein könnten, übersprungen. Die das akustische Signal sollte einen möglichst angenehmen Klang haben. Daher läuft auf der MCU eine DDS mit ca. 20kHz zur Erzeugung eines Sinussignals, welches über den ADC ausgegeben wird. Dann folgt zu nächst ein Buffer und eine Pegelanpassung, die ein Übersteuern der OPVs im folgenden Tiefpass mit ca. 7kHz verhindern. Über einen CMOS Schalter lässt sich das Signal in drei 10dB Stufen abgeschwächt dem ausgangsseitigen Brückenverstärker zuführen. Dieser wird zur Reduktion des Stromverbrauches von der MCU nur bei Bedarf aktiviert. Er ist auch auf eine Bandbreite von 8kHz begrenzt, um die Oberwellen weiter zu reduzieren. Die beiden letztgenannten Schaltungsteile profitieren besonders von einem PI-Filter mit einer 4,7µH Drossel und größeren keramischen Kondensatoren. So werden Störungen aus Schaltreglern und der PWM-Ansteuerung der Hintergrundbeleuchtung ferngehalten. RC-Glieder schützen die MCu vor Störeinstrahlung- und leitung durch die Kabel zu Drehencoder und Leistungsteil. Die recht hohe Packungsdichte, der enge Pin-Abstand von MCU, OPV und RTC und die notwendigen Masseflächen erfordern eine professionelle doppelseitige Platine. Die Masseflächen wurden durch eine Vielzahl von vergrößerten und verteilten Vias verbunden. Die Entstörkondensatoren an den Halbleitern sind mit 1µF recht groß gewählt. Ob die Störfestigkeit unter der gegenüber 100nF reduzierten Resonanzfrequenz der Kondensatoren geringer ist, wurde nicht untersucht. (Es funktioniert.) Ein keramischer 1nF Kondensator hält Störungen vom Reset-Pin der MCU fern.

Die Steuerplatine trägt zwei 5*2 polige Pfostenleisten. Die äußere dient primär zur Programmierung der MCU, kann aber auch für Erweiterungen mit I2C-Anschluss verwendet werden. Die innere stellt die Anschlüsse für Drehencoder und Leistungsteil zur Verfügung. Dazu muss somit ein Flachbandkabel mit drei Enden gepresst werden: 5*2 polig (Steuerung), offen (Drehencoder), 3*2 polig (Leistungsteil)

Die MCU wird mit der kostenlosen Software FlashMagic und einer Schaltung von Keil über RS232 geflasht. Bei der Inbetriebnahme müssen folgende Punkte beachtet werden:

Die Kondensatoren auf der Steuerungsplatine müssen schnell genug entladen werden können, damit die MCU beim Start in den Programmiermodus gebracht werden kann. Eine zusätzliche Last von z.B. 100 Ohm über die Betriebsspannung hilft.
Es muss keine "echte" RS232 Schnittstelle sein. Ein USB-RS232 Adapter mit FTDI-Chip funktioniert bei mir auch.
Einstellungen Flash Magic:
- Select: 89LPC936
- Baud Rate: 7200
- Interface: None (ISP)
- Oscillator (MHz): 7,373
- Erase block used by Hex File
Unter ISP, Device Configuration wird die MCU konfiguriert:
- Statt des internen Oszillators muss ein externer High-Speed Oszillator gewählt werden. Die in FlashMagic einzustellende Frequenz ändert sich dann von 7.373 MHz auf 6 MHz
- Der Reset-Pin muss ausgeschaltet werden.

Das Netzteil ist so ausgelegt, dass zwei Lampen mittels eines Y-Kabels versorgt werden können. Dadurch entfallen die Leerlaufverluste, Kosten und Platzbedarf des zweiten Netzteils.

Kosten der Steuerplatine (Teile: Reichelt, MCU: Ebay, 5 Platinen von PCB-Pool): ca. 56€ je Stück

Optoelektronik

Die Auswahl der LEDs wird primär von den Wünschen nach der Lichtwirkung bestimmt. Hier ist nur ein Vorschlag angegeben. Daneben gibt es noch die Schnittstellen zur Mechanik und zur Elektronik. Die Ansteuerung kann bei Versorgung mit 24V 1 bis 5 LEDs je Strang bedienen. Der Strom ist auf 500mA eingestellt, auch wenn der ZXLD1362 auch größere Ströme verkraften sollte. Beim SOT23-5 Gehäuse hatte ich jedoch dann in einem anderen Projekt insbesondere bei höheren Spannungen Probleme mit der Wärmeabführung. Mittlerweile können auch andere Gehäuseformen mit geringerem Wärmewiderstand bzw. leistungsfähigere Chips wie der ZXLD1374 eingesetzt werden. Der ZXLD1374 kann auch kürzere PWM-Impulse noch sauber in Stromimpulse für die LEDs umsetzen, womit ein größerer dimbarer Bereich erzielt wird. Jedoch muss der PWM-Pin von einem Push-Pull- statt einem Open-Drain-Ausgang angesteuert werden, da der interne Pull-Up des LED-Treibers sehr schwach ist und der Chip dann nur bei relativ langen Pulsen aus dem Standby aufwacht. Zum ZXLD1374 ist ein zusätzlicher Schaltplan mit Layout im Repository abgelegt. Der LM267X musste bei diesem Entwurf einem sparsameren und spannungsfesteren LT1676 weichen. Sollen mehr als 5 LEDs je Strang angesteuert werden, muss die Supressor-Diode am Stromversorgungseingang angepasst und der LT1676 zur Versorgung der Steuerplatine verwendet werden. Die ZXLD1362 vertragen bis zu 60V, sollten jedoch mit mindestens 17V versorgt werden, damit der Schalt-MOSFET voll durchschaltet.

**Teile von Leds.de**
Anzahl	Artikel-Nr.	Bezeichnung	Kommentar
4	65659	Nichia NS6L183BT, warmweiß, CRI 80, mit Platine (Star)	bessere Farbwiedergabe bei schlechterer Effizienz: austauschbar gegen NS6L183AT-H3 (CRI 85) oder NS6L183AT-H1 (CRI 90+)
2	65656	Nichia NS6W183BT, weiß, CRI 80, mit Platine (Star)
2	60354	Carclo Linse für Luxon Rebel, frosted wide	passt auch für Nichia NS6_183T
2	60456	Linsenhalter rund für Luxon Rebel, transparent	muss deutlich mit Säge und Feile angepasst werden

Kosten ca. 27€

Mechanik

Bei einer Nachttischlampe ist natürlich auch das Design eine wichtiges Merkmal. Ich bevorzuge ein klares einfaches Design und Materialien wie Glas und eloxiertes Aluminium. Die verwendeten Profile (Item, Profil X 8, leicht) ermöglichen es die Kabel und die Leistungselektronik im Inneren zu verstecken. Es haben aber auch einige Kunststoffteile Verwendung gefunden, da sie mir den Verschluss der Aluminiumprofile ohne sichtbare Schrauben ermöglichen.

Der sichere Stand wird durch die Füllung des Profil X 8 80x80 mit kleinen Kieseln für Aquarien gewährleistet. Die Oberen 1 bis 2cm bleiben frei und dienen dem Lautsprecher als Resonanzraum.

Die Frontplatte wird laut Zeichnung von der Schaeffer AG (Datei bei Downloads) gefertigt. Sie "schwebt" auf vier Distanzhülsen über der Steuerungselektronik. Dadurch bleibt umlaufend ein Spalt von 12mm Höhe, durch den die Steuerung per RC5 kommuniziert, die Umgebungshelligkeit gemessen wird und der Schall vom Lautsprecher abgestrahlt wird.

**Teile von Item**
Anzahl	Länge	Art.-Nr.	Bezeichnung
1	160mm	0.0.493.04	Profil X 8 80x80 8N leicht
1	160mm	0.0.492.88	Profil X 8 40x40 4N leicht
1	480mm	0.0.492.88	Profil X 8 40x40 4N leicht
1	-	0.0.601.13	Gelenk X 8 40x40 mit Klemmhebel
4	-	0.0.026.07	Standard-Verbindungssatz 8
1	-	0.0.489.98	Abdeckkappe X 8 80x80 grau
1	-	0.0.489.61	Abdeckkappe X 8 80x40 grau
1	-	0.0.489.60	Abdeckkappe X 8 40x40 grau

Kosten: Item ca. 90€, Schaeffer AG ca. 25€

Der Klemmhebel kann bei ästhetischen Bedenken auch gegen eine Schraube getauscht werden. Von zwei Standard-Verbindungssätzen wird nur die Schraube zur Befestigung des Gelenks verwendet.

Die Bohr- und Fräsarbeiten habe ich durch Daniel Wulfänger durchführen lassen.

Ein 3D-Model für FreeCAD befindet sich im SVN-Repository (s.u.).

2D-Zeichnungen auf Anfrage per PM bei Martin Clausen

Montage

Wenn alle Teile laut Zeichnung bearbeitet worden sind, werden zunächst die Standard-Verbinder für die Verbindung von Arm und Fuß eingeschraubt. Da aus optischen Gründen kein Loch zum Festziehen der Schrauben vorhanden ist, werden die Standardverbinder vorsichtig angezogen, so dass der Arm beim Aufschieben beginnt zu klemmen. Dann wir die Fläche zwischen Arm und Fuß mit Alkohol geschmiert und der Arm mit einigen Hammerschlägen montiert. Dabei sollte eine Unterlage (z.B. ein Stück Holz) verwendet werden.

Nun wird der Drehencoder verdrahtet und in die große Abdeckkappe geschraubt und mit Heißkleber versiegelt.

Im folgenden wird die Stromversorgungsbuchse in die 80x40 Abdeckkappe geschraubt und diese in den Fuß gepresst.

Dann werden die LEDs mit etwas Wärmeleitpaste und einer Isolierscheibe unter jeder Schraube montiert. Kabel werden in das Profil gefädelt und an gelötet. Ein fester Draht kann dabei nützlich sein. Dann wird die Leistungselektronik im Fuß platziert. Für die Positionierung sorgen 10 und 12 mm Distanzbuchsen jeweils mit und ohne Außengewinde. Jetzt bietet sich ein kurzer Funktionstest an.

Für die Front-LEDs werden nun die Halter modifiziert und aufgeklemmt. Dann werden die Linsen eingerastet.

Nun wird grober Aquarien-Kies gewaschen, gründlich getrocknet und in den Fuß gefüllt. Dabei muss ausreichend Raum für die Halter der großen Abdeckkappe gelassen werden. Diese wird nun aufgepresst. Dann wird der Fuß weiter verfüllt.

Jetzt werden noch Steuerelektronik mit 5mm Distanzbuchsen und M3x10 Schrauben montiert. Zum Schluss wird die Frontplatte mit M3x20 Edelstahl Senk-Inbusschrauben und 12mm Distanzbuchsen befestigt.

Downloads

Siehe auch

Wake-Up Light
LED-Pendellampe
LED
Diskussion zu diesem Projekt: http://www.mikrocontroller.net/topic/297859#3182303

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