Lakásvilágítás tervezése

MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR

Automatizálási és Infokommunikációs Intézeti Tanszék Ipari automatizálás és kommunikáció

Lakásvilágítás tervezése Szakdolgozat Koczka Zsolt PAN8AP

Miskolc, 2016

Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék ............................................................................................................. 1 1.

Bevezetés .................................................................................................................. 3

2.

Elméleti alapok ........................................................................................................ 5

3.

2.1.

A fény................................................................................................................. 5

2.2.

Fényáram .......................................................................................................... 6

2.3.

Fényerősség ....................................................................................................... 6

2.4.

Megvilágítás ...................................................................................................... 7

2.5.

Fénysűrűség ...................................................................................................... 7

2.6.

Színhőmérséklet................................................................................................ 8

Belső terek megvilágítása ..................................................................................... 11 3.1

Belső tér fogalma ............................................................................................ 11

3.2

Belső téri mesterséges világítás célja ............................................................ 11

3.3

Igények a jó látás érdekében ......................................................................... 11

3.3.1

Részletlátás .............................................................................................. 12

3.3.2

Színlátás ................................................................................................... 12

3.3.3

Térbeli érzékelés ..................................................................................... 12

3.3.4

Káprázás .................................................................................................. 12

3.3.5

Fényszín ................................................................................................... 13

3.4

Lakásvilágítás ................................................................................................. 13

3.4.1 3.5

5.

A világítás módja ............................................................................................ 14

3.5.1

Lakószoba, nappali ................................................................................. 14

3.5.2

Étkező ....................................................................................................... 15

3.5.3

Konyha ..................................................................................................... 15

3.5.4

Fürdőszoba .............................................................................................. 15

3.5.5

Hálószoba ................................................................................................. 15

3.6 4.

Káprázás korlátozás ............................................................................... 14

A lámpatestek fénytechnikai jellemzői ......................................................... 16

Fénykibocsátó dióda ............................................................................................. 18 4.1

A LED .............................................................................................................. 18

4.2

LED-történelem .............................................................................................. 18

4.3

A LED alkalmazási területei ......................................................................... 20

Világítás tervezése MSP430 mikrokontrollerrel ................................................ 22 5.1

A tervezett világítás ........................................................................................ 22

5.2

Elektronika ..................................................................................................... 23

5.2.1

A kezelőegység ......................................................................................... 23 1

5.2.2

Központi egység....................................................................................... 26

5.2.3

LED lámpatest......................................................................................... 30

5.3

6.

Szoftver............................................................................................................ 33

5.3.1

Kezelő ....................................................................................................... 33

5.3.2

Központ .................................................................................................... 36

5.3.3

Lámpatest ................................................................................................ 40

Fejlesztőkörnyezet, programozás ........................................................................ 41

Összefoglalás.................................................................................................................. 43 Summary........................................................................................................................ 44 Irodalomjegyzék............................................................................................................ 46 Ábra és táblázatjegyzék................................................................................................ 47 CD melléklet tartalma .................................................................................................. 48

2

1. Bevezetés A fény az élet egyik alapvető szükséglete, nélküle nem alakult volna ki élet. Fény nélkül a növények elpusztulnak és a sötétséget az ember szervezete is megsínyli. Egyes felmérések szerint a bennünket érő információk 80 %-át a szemünkön keresztül kapjuk. Kísérletek sorozata mutatta ki a világítás és a közérzetünk, szellemi és fizikai munkateljesítményünk közötti összefüggést. A világítás emellett napjainkban környezetformáló, építészeti elemként is megjelenik. A fény tehát a mindennapok nélkülözhetetlen része. A környezetünket és a tárgyakat akkor láthatjuk, ha azok saját fényt bocsájtanak ki vagy a rájuk eső fényt visszaverik. A fényt kibocsájtó testeket fényforrásoknak nevezzük. Két típusukat különböztetjük meg, a természetes és a mesterséges fényforrásokat. Természetes fényforrás például a Nap, mesterséges pedig például a Nap fényét az otthonainkban pótoló világítóberendezés. A világítástechnika a tűz felfedezésével kezdődött, majd sok időnek kellett eltelnie ahhoz, hogy a nyílt láng, olajmécses, fáklyás, petróleumlámpás világítás után Edison bemutatta 1879-ben az első elektromos izzólámpát. Ezután sokáig ez az egyetlen megoldás volt használatban otthonainkban, bár az első szénszálas izzóhoz képest a még ma is használatban levő wolfram szálas izzók fejlődése vitathatatlan. Habár a fénycső már 1938-ban megjelent sorozatgyártásban de továbbra is az izzólámpa maradt az elsődleges világító eszköz otthonainkban. Ezen csak az 1980-as években terjedni kezdő kompakt fénycső tudott változtatni, amit nagyban köszönhetett az izzólámpa foglalatával való kompatibilitásnak és annak, hogy a beüzemelése nem igényelt plusz fojtótekercset és kondenzátort mint a fénycsőnél. A kompakt fénycsövek élettartama jóval hosszabb, mint a hagyományos izzóé, akár 15 ezer óra is lehet, hatásfokuk is jelentősen jobb. Hátrányuk a magasabb ár és a nagy környezetterhelés gyártás és hulladékkezelés során. Napjainkban viszont egyre jobban átveszi a szerepet a világításban a félvezető alapú teljesítmény LED-ek alkalmazása. Előnyük a kompakt fénycsőnél is jobb hatásfok, a hosszabb elérhető élettartam. Kivitelüket tekintve lehetnek a hagyományos izzókkal kompatibilisek, amik közvetlenül a hálózatról üzemeltethetőek, de lehetnek speciális kivitelűek saját tápegységgel. A LED mint világítás előreláthatólag szinte teljesen átveszi a szerepet a világítás terén. Mind az izzólámpa mind a kompakt fénycsövek leváltására alkalmas, szinte minden téren csak előnyei vannak. A hagyományos izzóhoz képest jelentős fogyasztáscsökkenés, de még a kompakt fénycsövekhez képest is kisebb fogyasztás 3

jellemzi. Valamint a kompakt fénycsöveknél jelentkező bemelegedési időre sincs szükség a teljes fényerő eléréséig, a gyakori ki-be kapcsolgatást is jobban viselik. Emiatt olyan helyen is használhatóak ahol eddig a rövid üzemidők miatt a kompakt fénycsövek nem voltak jó választás, például előszobák, közlekedő folyosók. A mechanikus hatásokat is jobban viselik mivel a hagyományos izzók és kompakt fénycsövek üvegburájával szemben külső burkolatuk szinte minden esetben műanyag. A hagyományos izzók esetén lehetőség volt fényerő szabályozós kapcsoló használatára, ami viszont kompakt fénycsövekkel nem kompatibilis. A LED izzók között viszont van szabályozható fényerejű típus is. A kompakt fénycsövekkel szemben további előnyük, hogy gyártásukhoz nem használnak fel higanyt, ami a gyártást jóval környezetbarátabbá teszi, valamint sérülés esetén nem kerül higanygőz a levegőbe. Élettartam szerint is jó választás a LED, egy megfelelő hűtéssel alacsony hőmérsékleten üzemeltetett modul akár 50-100 ezer órás üzemidőt is elérhet, bár a kereskedelemben jelenleg kapható, például E27-es foglalatba tekerhető izzók többsége csak 12-25 ezer órás üzemidőt ígér. A megfelelő hűtést főleg a nagyobb teljesítményű LED-izzók esetén a jelenleg használt foglalatoknál nem lehet megoldani. Jelentős tulajdonságuk a hatásfok és teljesítmény mellett a színhőmérsékletük is, ami első használatkor a legszembetűnőbb különbséget adja a hagyományos izzóhoz képest. Jelenleg a kereskedelmi forgalomban szinte csak hideg fehér (6000K körüli színhőmérséklet) és meleg fehér (2700-3000K körüli színhőmérséklet) kivitelben kaphatóak. A hideg fehér a legtöbb ember számára túl rideg, a fényében főleg a piros színek túlságosan fakónak tűnhetnek. A meleg fehér viszont legtöbbször túlságosan sárga árnyalatú fényt ad. Ez akkor jó választás, ha a hagyományos izzólámpához hasonló színárnyalatot szeretnénk. A kettő közötti megoldás a természetes fehér, ez 4500K körüli színhőmérsékletével a legtöbb esetben optimális választás bár ez szubjektív dolog is. Beszerzése viszont egyenlőre körülményes, jelenleg a legtöbb helyen szinte csak meleg fehér típust találunk.

4

2. Elméleti alapok 2.1. A fény A fény elektromágneses sugárzás, hullámhossza 380 nm és 780 nm közötti tartomány. Ez az elektromágneses sugárzási spektrumnak csak töredékét jelenti az infravörös és az ultraibolya sugárzás között. Ebből a szűk tartományból valójában csak a 420 nm és 720 nm közöttiek keltenek fényérzetet az emberek többségének, és a spektrum érzékelése sem egyenletes. [1]

1. ábra: elektromágneses sugárzás és fény spektruma

Az emberi szem nem egyformán érzékeny a különböző hullámhosszú sugárzásokra, a szem érzékenységének elfogadott és a lenti ábrán látható szabványosított görbéjét a Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság állapította meg. Más-más görbe vonatkozik a világosban és a sötétben való látásra, a világítástechnikában általában a világosra adaptált szem érzékenységi görbéjével számolnak. A világosra adaptált szem láthatósági függvényének szokásos jelölése V(λ), a sötétre adaptált szem görbéjét V'(λ)-val jelölik.[2]

2. ábra: emberi szem érzékenységi görbéje[13]

5

2.2. Fényáram A fényáram a fényforrásból időegység alatt kisugárzott összes látható fény energiája, ez a fényforrások egyik fontos világítástechnikai jellemzője. Másként megfogalmazva a sugárzott fizikai teljesítmény és a láthatósági tényező szorzatának az egész színképtartományban összegzett értéke. Mértékegységét lumenben fejezik ki.[12] Jelölése:

Φ (Phi)

Mértékegysége:

Lumen

Jele:

lm

A fényforrások legfontosabb világítástechnikai jellemzője a fényáram. A fényforrás fényáramának és az általa felvett villamos teljesítmény értékének hányadosát nevezik fényhasznosításnak, melynek egysége a lm/W. A fényhasznosítás fontos energetikai jellemző, a fényforrások fejlesztésének egyik elsődleges célja a lm/W érték növelése.[12] Néhány fényforrás fényárama: Fényforrás

A fényforrás névleges fényárama (lm)

Izzólámpa 230 V, 60 W

710

Izzólámpa 230 V, 100 W

1400

Halogén izzólámpa 12 V, 100W

2350

Fénycső 18W, F33

1150

Nátriumlámpa LU250/T/40

27500

2.3. Fényerősség A fényforrás a tér minden irányába sugározza ki fényáramát. Az adott irányú térszögbe kisugárzott fényáramnak és a térszögnek a hányadosa, azaz a fényáramnak a térszög szerinti sűrűsége a fényerősség.[12] Jelölése:

I

Mértékegysége:

Candela (lm/sr)

Jele:

cd

Meghatározó egyenlete:

I=Φ/Ω

ahol az Ω a térszög szteradiánban (sr). A térszög egysége, a szteradián az egységnyi sugarú gömb felületének egységnyi területű része. [13]

6

2.4. Megvilágítás A megvilágítás a felületre beeső fényáramnak és a felületnek a hányadosa, azaz megadja, hogy egy adott felület mennyire van kivilágítva, vagyis mekkora fényáram jut 1m² felületegységre lumenben. A gyakorlati felhasználás szempontjából ez a legfontosabb világítástechnikai fogalom.[13] Jelölése:

E

Mértékegysége:

Lux (lumen/m²)

Jele:

lx

Meghatározó egyenlete:

E = Φ / A (ahol A a felületet jelöli)

Jellemző környezeti megvilágítási értékek: Fényforrás

A megvilágítás (lx)

A szem érzékenységi küszöbe

0,0000001

Szürkület

4-10

Utcai világítás

1-10

Gyertyafény

10-15

A szem korrekt színlátása

50

Napkelte, napnyugta

500

Otthoni és irodai megvilágítás

100-1000

Napfény erősen felhős időben

20000

Napfény enyhén felhős időben

70000

Felhőtlen napsütés

100000-1000000

2.5. Fénysűrűség Szemünk valamely felületre rátekintve nem annak megvilágítását érzékeli, hanem a felület látszólagos fényességét. Az erre jellemző mennyiséget fénysűrűségnek nevezik és L-el jelölik. Ez egy igen összetett mennyiség, értéke a felület megvilágításán kívül függ a megfigyelés irányától, a felület színétől, fényvisszaverő képességétől és egyéb jellemzőitől, mint például a visszaverés tükröző vagy szórt jellegétől is. A fénysűrűség egysége a cd/m2. Bár a valóságos látási viszonyokat legjobban a fénysűrűséggel lehet leírni, számítás- és méréstechnikai nehézségek miatt ezt a módszert csak korlátozottan alkalmazzák[13]

7

2.6. Színhőmérséklet A fényforrások világítástechnikai értékelésekor a sugárzott fény erősségén kívül annak színe is fontos jellemző. Egy izzó fekete test színe a színhőmérséklettel, vagyis a fekete test izzási hőmérsékletével írható le. Ha egy valóságos fényforrás fényének spektruma nem egyezik meg pontosan valamely izzó fekete testével, de attól nem tér el nagy mértékben, akkor a fényforrást a hozzá megjelenésében leginkább hasonlító fekete testtel jellemezhetjük. Ennek a fekete testnek a hőmérsékletét hívjuk korrelált színhőmérsékletnek. A természetes világítást adó derült északi égbolt színhőmérséklete 6000 K feletti értékű, a normál izzólámpáé 2800 K körül van. A különböző színhőmérsékletű fényforrások egymás melletti alkalmazását kerülni kell, mert megnehezíti a szem alkalmazkodását, a színes tárgyak megjelenését kedvezőtlenül változtatja meg és zavaró, színesnek látszó árnyékok is keletkezhetnek. A fényforrások színét az határozza meg, hogy az általuk kisugárzott energia hogyan oszlik el hullámhossz szerint, a színhőmérséklet tulajdonképpen egy látható fényt kibocsátó fényforrás által az emberben okozott színérzet. Mértékegysége 1972-től a Kelvin (K). A következő ábra a különböző színhőmérsékletű fekete sugárzók színét mutatja be szabványos színdiagramban, a színhőmérséklet függvényében[12].

3. ábra: Planck-görbe

8

A patkóforma színdiagram szélén a spektrum színei, vagyis a legtelítettebb szivárványszínek találhatók, a diagram közepe, az x = y = 0,333 koordinátájú pont a fehér szín, ahol a spektrum valamennyi összetevője egyenlő energiával van jelen. A Planck-görbe egyes pontjai mellett a ponthoz tartozó színhőmérséklet található. Az alábbiakban látható néhány fényforrás színhőmérséklete[13]: Fényforrás

Színhőmérséklet

Gyertya

1000-2000 K

Wolframszálas izzólámpa

2500-3200 K

Halogénlámpa

2800-3500 K

Meleg fényű fénycső

3400-4300 K

Hideg fényű fénycső

4500-7500 K

Vaku

5000-5500 K

Átlagos nappali napfény

5000-6000 K

Reggeli és délutáni napfény

4500-5000 K

Napfény felhős időben

6500-8000 K

Árnyékos nappali fény

9000-10000 K

Borult, ködös idő

10000 K

1.táblázat: színhőmérséklet és hozzá tartozó Kelvin értékek[13]

Színhőmérsékleti csoport

Korrelált színhőmérséklet

M (meleg)

3300K alatt

S (semleges vagy természetes)

3300K és 5300K között

H (hideg)

5300K felett

A mesterséges fényforrások kisebb-nagyobb mértékben eltorzítják a természetes színeket. Ezt a színtorzulást jellemzik a színvisszaadási indexszel, melynek skáláját úgy alakították ki, hogy a természetes fényforrás, a fekete test sugárzó színvisszaadási indexét vették 100-nak (a Nap is fekete test sugárzónak tekinthető). A skála 0-tól 100-ig terjed. Minél kisebb valamely fényforrás esetén az index értéke, annál inkább torzulnak az általa megvilágított felületek színei. Az izzólámpa fekete test sugárzónak tekinthető, ezért színvisszaadási indexe gyakorlatilag 100. A színhőmérsékleten kívül a fény spektrális eloszlása is fontos, a napfény, illetve a napfény teljes fényspektrumát kisugárzó fényforrások UV-tartománya befolyásolja az agyalapi mirigyet, amely hormonrendszerünk fő irányítója. Az otthonunkban és munkahelyünkön világító lámpák, fénycsövek nem bocsátanak ki UV-fényt és a spektrumnak csak egy kis részét 9

tartalmazzák. A kompakt fénycsövek folyamatosan vibráló fénye, bár ezt nem vesszük észre rögtön, de hosszabb távon folyamatos diszharmóniához vezet az egész testünkben, kezdve a szem túlterhelésével. A napfény természetes spektrumától minél nagyobb eltérés, bár a láthatóságot közvetlenül nem rontja hosszabb távon mindenképpen káros hatással van a kedély és egészségi állapotunkra. A lenti képeken különböző fényforrásokra jellemző görbéket hasonlíthatunk össze[13]:

4. ábra: gyakori fényforrások jellemző spektruma

A legelső képen egy hagyományos izzólámpa által kisugárzott fény spektruma látható. Mellette egy kompakt fénycsövekre jellemző, jól látható nagy kiugrásokkal. Baloldalt alul egy természetes fehér fényű teljesítmény LED-re jellemző karakterisztika, míg az utolsó

képen

a

természetes

napfény

karakterisztikájával

összevetve

látjuk

mindhármat.[13]

10

3. Belső terek megvilágítása 3.1 Belső tér fogalma A belső tér olyan tér melyet minden oldalról egybefüggő épületszerkezet vesz körbe. Ez nem feltétlenül átlátszatlan, egy vagy több oldalról határolhatják fényáteresztő felületek. A belső terek esetén világítástechnikai szempontból fontos, hogy a fényviszonyokat befolyásolják a határoló felületek fénytechnikai tulajdonságai. Az ok, hogy a fény nem csak közvetlenül a lámpatestekből érkezik, jelentős része a határoló felületekről visszavert fény. Ezért a belső terek esetén fontos jellemzők a belső terek felületeinek fénytechnikai tulajdonságai, kialakítási geometriája és a felület színe. Ezeket a tulajdonságokat a világítási berendezés kialakításánál figyelembe kell venni, valamint tudni kell befolyásolni a nagyobb vizuális komfort érdekében. [9]

3.2 Belső téri mesterséges világítás célja A világítás célja megteremteni a vizuális komfortot az adott térben. Látás segítségével kerülünk kapcsolatba a körülöttünk lévő környezet formai, színi világával. Ezek a közvetlen vizuális információk, míg a közvetettek megszerzésében is a látás segít minket. Ilyenek például az újságok, filmek, amik információi szintén a látáson keresztül jutnak el hozzánk. A világítás célja, hogy a közvetlen és közvetett vizuális információkhoz megfelelő körülmények mellett juthassunk és ezzel minél magasabb kényelmi szintet érjünk el. A komfort érzés fokozata legtöbbször annak függvénye, hogy a környezetből milyen mértékű zavarás jut el hozzánk az adott tevékenység végzése szempontjából, valamint mennyire biztosított, hogy az adott tevékenységet a lehető legkényelmesebb körülmények között végezzük. Megfelelő vizuális komfort esetén a környezet elfogadható mértékben zavarásmentes, valamint a látás alapvető célja, a vizuális információszerzés is biztosítva van. [9]

3.3 Igények a jó látás érdekében A szemünkkel kontrasztot érzékelünk, ami lehet fénysűrűség különbség vagy színtelítettség különbség, azaz színkontraszt. A megfelelő láthatóság biztosítása a világítással szembeni elsődleges általános igény. Ez a részletlátásból, színlátásból valamint térbeli érzékelésből tevődik össze. A zavaró hatásokat ki kell küszöbölni, úgymint káprázás (közvetlen és közvetett), túlzott kontrasztok (kiegyensúlyozatlan fénysűrűség eloszlás) valamint nem megfelelő fényszín. A fénysűrűség kezelése legtöbbször csak homogén vagy annak látszó felületek esetén van gyakorlatilag egy 11

elfogadható bonyolultsági szint alatt, például kültéri világítás, útvilágítás. A belső terek alakja, a határoló felületek fénytechnikai tulajdonságai legtöbbször annyira bonyolultak, hogy számításokkal előre a fénysűrűség állapotait meghatározni a gyakorlatban képtelenség. [9] 3.3.1

Részletlátás

Ehhez tudni kell elkülöníteni a környezetétől a látni kívánt tárgyat vagy tárgyakat, azaz fel kell ismerni az alakját. Ehhez észlelni kell az objektumot, ami a látásélességtől függ, valamint a környezetétől is el kell tudni különíteni, ami pedig a kontrasztérzékenység függvénye. [9] 3.3.2

Színlátás

Megfelelő színlátásnak azt nevezzük, hogy mesterséges világítás mellett is a természetes színeket, vagy ahhoz közeli színeket érzékelünk. A passzív felületeknek nincs saját színük a rájuk eső fény egy adott hullámhosszát verik vissza reflexiójuk, vagy engedik át transzmissziójuk függvényében. Tehát a felületek színe mindig függ az őket megvilágító fény spektrumától is. Ha mégis egy felület színéről beszélünk a mindennapi életben, akkor azalatt a természetes nappali fény általi megvilágítás esetén létrejövő színérzetet nevezzük. A fényforrásokat azzal jellemezzük, hogy a kibocsájtott fényük spektruma, azaz színösszetétele milyen mértékben hasonlít a természetes napfényhez. Technikailag meg kellett határozni egy etalonnak elfogadott természetes fény spektrális összetételt és ehhez viszonyítjuk a különböző fényforrások által kibocsájtott fény színösszetételét. Ezt az egyezést határozza meg gyakorlatilag a színvisszaadási index. [9] 3.3.3

Térbeli érzékelés

A térbeli érzékelésre csak a látótérnek a közeli, két szemmel látható részén van lehetőségünk. Feltétele, hogy különböző megvilágítás érje a térben különböző helyzetekben levő felületeket. Azaz a felületek árnyékosak legyenek, de ez az árnyék ne másik felület által vetett árnyék legyen. Ezt asszimetrikus megvilágítással tudjuk elérni, azaz a világításnak nem szabad szimmetrikusnak lenni egyetlen, a nézési irányra fektethető síkkal sem. [9] 3.3.4

Káprázás

Káprázás esetén a látótérben a látni kívánt terület fénysűrűségének sokszorosával rendelkező felület jelenik meg, ami zavarja a látni kívánt terület megfelelő vizuális érzékelését. Azaz rontja a látási komfortot. A zavaró hatás függ a 12

káprázást okozó fénysűrűség és a háttér arányától valamint káprázást okozó felület nagyságától. A káprázást okozhatja közvetlenül valamilyen fényforrás, ezt közvetlen káprázásnak nevezzük. Okai lehetnek lámpatestek vagy természetes fény. Másik lehetőség a fényvisszaverő felületek, ekkor közvetett káprázásról beszélünk. [9] 3.3.5

Fényszín

A belső terek megítélése nagyban függ a különböző megvilágítási szintektől valamint a fényforrás színhőmérsékletétől. A fény spektrális összetételének hatását a hosszabb tartózkodásra szolgáló helyiségek esetén mindenképpen figyelembe kell venni. Már egy ideje megjelent az a felismerés, hogy a különböző színű fény befolyásolja az embert. Akár inspiráló vagy nyugtató hatást is ki tud váltani. Az egész nap csak mesterséges megvilágításban dolgozó embereknél például gyakrabban megfigyelhető rossz kedélyállapot, és általában munka teljesítményük a munka kezdetétől jelentősen csökken. A természetes világításhoz hasonló spektrális összetétellel, esetleg ezt a nap folyamán folyamatosan változtatva egy a napszakokat szimuláló világítással jelentősen javíthatóak a panaszok és az ember biológiai igényeit jobban kielégítő állapot létesíthető. [9]

3.4 Lakásvilágítás A megfelelő látáshoz szükséges megvilágítás szintje az egyes tevékenységektől függ és széles határok között változik. Többnyire a lakó a saját elképzelésének, esetleg a több-kevesebb hozzáértéssel rendelkező villanyszerelő, a vásárláskor segédkező eladó, ismerős, szomszéd tanácsainak függvényében választja ki a világításra használt berendezést. Ezt lehetővé teszi az, hogy az emberi szem szélsőséges világítási körülmények között is képes működni, könnyen alkalmazkodik bizonyos határokon belül és nem feltétlenül érezzük a megvilágítási szintek közötti különbséget, hacsak nemtudjuk közvetlenül összehasonlítani. Ezen kívül a világítási rendszer általában csak egyszer készül el, előzetes próbálgatások és tesztek nélkül gyakorlati tapasztalatok alapján. Így egy másik kialakítással való összehasonlításra nincs mód. Az egyes tevékenységek céljára külön zónák kialakítása célszerű, amelyek egymástól a világítás segítségével is elkülönülnek. Nagyobb lakások esetében, ha a tevékenységek a térben megfelelően különválasztottak az adott helyiség világítását egy adott célnak megfelelően célszerű kialakítani. A munka, olvasás, írás, beszélgetés, zenehallgatás, tévénézés mind másféle igényeket támaszt a világítással szemben. Célszerű, hogy a sokféle feltétel kielégítésére a decentralizálást elvét alkalmazzuk, a nagyobb helyiségek 13

különböző feladatra használt zónáiban különböző álló-, asztali és falilámpákat helyezhetünk el. A szoba közepén egy befüggesztett csillár egyedüli alkalmazása a különböző tevékenységeknek nem feltétlen képes megfelelni, viszont egy általános alapvilágítás megteremtéséhez mégis indokolt lehet a használata. Különösen, ha nagyobb méretű és belmagasságú szobáról van szó. Az általános és a helyi világítás együttes alkalmazásakor hasznos lehet szabályozható fényerejű csillár kiválasztása. Kisebb helyiségek esetén is indokolt lehet általános világítás kiépítése, ebben az esetben az általános világítás például mennyezetlámpákkal, vagy a mennyezetre irányított és így közvetett fényt szolgáltató lámpával is megoldható. Tetszetős eredményt adó megoldás lehet egy függönykarnis mögé, vagy a szekrények tetejére rejtetten elhelyezett világítás is. Olvasáshoz, íráshoz, mindenképpen helyi lámpatestek szükségesek, amelyek fényereje és irányítottsága olyan legyen, hogy a megfelelő látáshoz jó világítást adjanak, de ugyanakkor kápráztató hatással ne zavarják a szobában tartózkodókat. Az ágyak mellett legyen célszerű olvasó vagy éjjeli lámpa elhelyezése. Ha éjszaka kell villanyt kapcsolni, az erős fény nagyon megterheli a sötéthez alkalmazkodott szemet. Ezért érdemes külön olvasó és éjjeli lámpát használni. Ha a két célra mégis egyetlen lámpatestet használunk, akkor szükséges, hogy legyen fényerőszabályzója. [9] 3.4.1

Káprázás korlátozás

A nem megfelelő irányból és erősséggel érkező fény a látás minőségét rontja és káprázást okozhat. Ékezhet közvetlen a fényforrásból, de közvetetten, visszavert fényt formájában is. Két lehetőséget különböztethetünk meg. Ha a látási teljesítményt rontja fiziológiai vagy rontó káprázásról beszélünk. A pszichológiai vagy zavaró káprázásnál nem a látás romlásáról beszélünk, hanem a fényt kisebb vagy nagyobb mértékben kellemetlennek, zavarónak érezzük. A kápráztató hatás értékelésére különféle mutatók léteznek, a legújabb szabványok a beltéri világítások esetén az UGR értéknek, kültéri világítások esetén a TI értéknek nevezett mutatókat használják. Az angol rövidítések jelentése: Uniform Glare Rating – egységes káprázási osztályozás, Threshold Increment – küszöbérték növekmény. Az előbbi a zavaró, az utóbbi a rontó káprázás mérőszáma. [9]

3.5 A világítás módja 3.5.1 A

Lakószoba, nappali helyiségben

többféle

tevékenységet

végezhetünk

ezért

célszerű

a

tevékenységek helyeihez alkalmazkodó zónákat létrehozni, azaz különösen nagyobb 3014

50 m2-es helyiségekben nem egy központi mennyezetlámpával megoldani a világítást. Falikarok, állólámpák, süllyesztett, vagy falon kívüli irányított fények felhasználásával megfelelően kialakítható a világítási berendezés. A megfelelő végeredményhez szükséges a helyiség belső elrendezésének figyelembe vétele. [9] 3.5.2

Étkező

Az étkező asztalnál célszerű kiemelt világítás használata, ehhez az asztal közepe fölé elhelyezett lámpatest a legmegfelelőbb. A lámpatestet viszont ne helyezzük olyan mélyre, hogy az egymással szemközt ülők arcát eltakarja. A lámpatest ernyője olyan legyen, hogy az asztal megvilágítását segítse, de gátolja meg az asztal mellett ülők szemébe jutó közvetlen fénysugárzást. Erre a feladatra a nagyméretű ernyővel ellátott lámpatestek a legalkalmasabbak. A helyiség méretétől függően a falra vagy mennyezetre elhelyezett kiemelő, hangulatvilágítások is elhelyezhetők. [9] 3.5.3

Konyha

Az egyedül a mennyezet közepén elhelyezett, általános világítást adó lámpa a konyhában sem elegendő, mivel a munkafelületek, úgymint a tűzhely, konyhapult, mosogató szinte minden esetben a falak mellett találhatóak. Ha csak középen helyezünk el világítást, akkor a konyhában dolgozó személy a testével beárnyékolja a munkafelületet. A falak melletti munkafelületek megvilágítására alkalmazhatunk fali lámpatesteket, vagy ha van, akkor a konyhaszekrény, a páraelszívó alsó felületére szerelt lámpatesteket. Ezekre közvetlenül ne lehessen rálátni, de az alattuk lévő felületeket jól világítsák meg. A lámpatestek elhelyezésénél a karbantartást is figyelembe kell venni, lehetőleg ne tegyünk lámpatestet oda ahol a zsíros gőzök hamar elszennyezik. Jó hatást érhetünk el a konyhaszekrény felső részén elhelyezett, a mennyezetet világító, derítő fényt adó fényforrás használatával. [9] 3.5.4

Fürdőszoba

Fontos terület a mosdó és vele együtt a tükör környezete. Itt az arc jó láthatósága a cél, viszont a zavaró káprázást kerülni kell. Ez a tükör fölött, mellett elhelyezett burás lámpatestekkel valósítható meg. Az alkalmazott lámpatesteknek általában IP23 védettséggel kell rendelkeznie, de a fürdőkád, zuhany kabin környezetében magasabb védettségi fokozat is szükséges lehet. [9] 3.5.5

Hálószoba

A megfelelő világítást több különböző hangulatot teremtő lámpatesttel alakíthatjuk ki. Szükséges az ágyban olvasáshoz az olvasó lámpa elhelyezése, ezen 15

kívül például fali direkt-indirekt lámpákkal lehet egy általános világítást megvalósítani. Az olvasólámpa ernyőzésekor viszont feltétlenül figyelni kell arra, hogy fénye irányítottan csak az olvasáshoz szükséges helyre jusson, viszont ott a fényereje elég legyen a megfelelő látáshoz. [9]

3.6 A lámpatestek fénytechnikai jellemzői A lámpatestek fénytechnikai adatai közül a hatásfok és a kisugárzott fényáram térbeli eloszlása, vagyis a fényeloszlás különösen fontos. Az optikai hatásfokot a lámpatestből kilépő fényáram valamint a fényforrás fényáramának aránya jelenti, míg a fénytechnikai hatásfok a lámpatestből kilépő fényáram valamint a lámpatesten kívül, referencia körülmények között működő fényforrás fényáramának viszonya jelenti. A kétféle hatásfok gyakran akár 20 - 30 %-kal is eltérhet egymástól. Ennek oka, hogy a lámpatest zárt terében már a fényforrás által kibocsátott fényáram is megváltozhat a referencia körülményekhez képest a lámpatestek belső légterében kialakuló magasabb hőmérséklet miatt. Bizonyos fényforrások fényárama függ a fényforrást körülvevő légtér hőmérsékletétől és az optimális értéktől való bármilyen irányú eltérés a lámpa fényáramát csökkenti. A gyakorlatilag ezért a fénytechnikai hatásfok a mérvadó mivel ez az érték a fényforrás fényáramának változását is figyelembe veszi. [9] A lámpatestek fényeloszlása is nagymértékben meghatározza azok felhasználását. Egyik gyakorlati osztályozási rendszer azon alapja a lámpatest teljes kisugárzott fényáramának eloszlása az alsó és felső térfél között. A lámpatestek fényeloszlását a fényeloszlási görbékkel lehet megadni. A teljes fényeloszlás egy olyan térbeli testtel jellemezhető, amelynek úgy kapjuk meg a felületét, hogy a tér egyes irányaiba mutató és az abba az irányba kibocsátott fényerősség nagyságával arányos hosszúságú vektorok végpontjait összekötjük. A fényeloszlási görbék ennek a térbeli testnek az egyes síkmetszetei. A fényeloszlás megadására a legáltalánosabban az úgynevezett C-γ koordináta rendszert használjuk. Ebben az egyes síkok egy egyenesben metszik egymást, ez a lámpatest optikai tengelye. A C síkok helyzetére jellemző a lámpatest hossztengelyétől számított szög, a gamma szögek pedig az adott C síkban az optikai tengely és a kérdéses irány között bezárt szögek. [9]

16

5. ábra: C-γ koordinátarendszer

6. ábra: Példa szimmetrikus fényeloszlásra

17

4. Fénykibocsátó dióda 4.1 A LED A LED az angol elnevezés rövidítésén alapul. Light Emitting Diode, azaz fénykibocsátó dióda, és egyre jelentősebb helyet foglal el a világítástechnikai eszköztárunkban. Felfedezése óta a LED-et sok helyen használták. Az első időkben csak jelzőfényként,

majd

órákban,

kalkulátorokban,

távirányítókban,

később

háttérvilágításként is sok más elektronikus eszközben. Ma a LED-technológia gyors ütemű fejlődésével a LED-ek fényereje és hatásfoka egyre inkább növekszik, igy immár világítási alkalmazásokban is szerepet nyer. A kis teljesítményű jelzésadó felhasználáson kívül jelenleg már hatásos, jól használható világítóeszközként tekinthetünk rá. A folyamatos fejlődés folyamán nem csak a hatásfok és a teljesítmény, hanem a színválaszték is kibővült, megjelentek a kék és fehér fényű világító diódák is. Lényegében ez teszi lehetővé a LED-ek világítási célra történő alkalmazását. A LED alkalmazásának okai között van a fizikai mérete is. A többi, jelenleg használatban levő fényforrások közül a legkisebb elérhető mérettel rendelkezik, valamint érzéketlen a mechanikai behatásokra, rázkódásra. Villamos és fénytechnikai tulajdonságain túl a szinte korlátlan élettartama is kiemeli többi fényforrás közül. A nagyfokú megbízhatósága

mellett

a

törpefeszültségről

történő

működés

érintésvédelmi

szempontból is előny számos alkalmazás esetén. Az általa előállított fény spektrumából hiányzik az infravörös és ultraibolya sugárzás, valamint színes fény is előállítható vele külön szűrők alkalmazása nélkül, amik a hatásfokot rontanák. A villamos tulajdonságainak

köszönhetően

fényerejének

szabályzása,

illetve

kapcsolása

gyakorlatilag késleltetés nélkül megoldható. Sok előnye mellett a LED-nek hátrányai is lehetnek bizonyos esetekben, bár ezek legtöbbször elhanyagolhatóak. Egy érdekes példa erre Japán északi részén történt. Amikor Hokkaidón LED-ekre cserélték a közlekedési lámpák fényforrását az első télen ezek használhatatlanokká váltak. A rájuk hullott hó ugyanis már nem olvadt el, mint korábban a meleg lámpáknál, így a jelzést nem lehetett látni.

4.2 LED-történelem Az angol Henry Joseph Round a rádiótechnológia területén helyezkedett el, és jelátvitellel kísérletezett. Egyik ilyen kísérlete során 1907-ben áramot vezetett át különböző anyagokon, melynek eredménye az lett, hogy némely anyag fényt kezdett el kibocsátani magából. Miután azonban Round igazából egy új rádiós eljárást fejlesztett a 18

tengerészet járművei számára, ezért ezt a felfedezését nem használta fel. Oleg Vladimirovich Losev is rádiótechnikai munkája során fedezte fel ugyanezt a jelenséget, viszont Ő sokkal részletesebb feljegyzéseket készített a témában. Tapasztalatait 1927ben publikálta egy orosz újságban, és egészen 1941-ig számos írást adott közre a jelenségről. Kutatásai eredményét azonban nem ismerték el, mert a kibocsájtott fény intenzitása igen csekély volt. Azonban feljegyzései nagyban hozzájárultak ahhoz, hogy évtizedekkel később megszülethettek az első igazi LED-es fényforrások. [14] A 1950-es években a gallium-arzénid (GaAs) tulajdonságaival foglalkozó tanulmányok vezettek a LED felfedezéséhez. 1955-ben Rubin Braunstein az RCA cégtől (Radio Corporation of America) fedezte fel a gallium-arzénid (GaAs) és egyéb félvezető ötvözetek infravörös sugárzását. A Texas Instruments kutatói, Bob Biard és Gary Pittman 1961-ben szintén tapasztalták a fénykibocsájtást, amelyet az elektromos áram gerjesztett. Ez fény a nem látható, infravörös tartományába esett. Biard és Pittman szabadalmaztatták a LED-diódát. Az első, gallium-arzénid-foszfid (GaAsP) alapú, kereskedelmi forgalomba került LED végül vörös fényű lett. Az ifj. Nick Holonyak a General Electric Company-tól fejlesztette ki az első gyakorlatban is használható, látható fény tartományában sugárzó LED-et 1962-ben. Holonyak már akkor megjósolta, hogy egy nap a LED-ek helyettesíteni fogják a hagyományos villanykörtéket, ami napjainkban folyamatban is van. A világító dióda nélkül a mai technikai élet elképzelhetetlen lenne. A televíziótól kezdve, a legtöbb elektronikus készülékben és világításban megtalálható, de ehhez több mint 30 évnek kellett eltelnie, így a szegény családból származó Holonyak nem gazdagodott meg találmányából. Nem csak a LEDek felfedezése köthető hozzá, hanem a piros fényű félvezető lézeré is, ami a CD, DVD lejátszókban használatos. Egy új nemzedékre is hatással volt, 1971-ben az Ő egyik tanítványa, Dr. M. George Craford alkotta meg az első sárga fényű LED-et. Ezután az 1970-es évek elején a LED-ek használata az órákban és kalkulátorokban való megjelenésükkel robbanásszerűen terjedt el. [14] Ahogy a neve is utal rá, a LED tulajdonképpen egy fénykibocsájtó dióda. Egy félvezető eszköz, mely az elektromos áramot valamilyen formában, kontrollált módon vezeti. A diódát egyszerűbb formájában gyenge vezetőképességű anyagok alkotják, amelyeket úgy módosítanak szennyezéssel, hogy növelik a számát a rendelkezésre álló szabad töltéshordozóknak. Az elektronokban gazdag N-típusú anyagot elektronokban hiányos P-típusú anyaggal szennyezik, aminek hatására alakul ki a PN-átmenetnek 19

hívott réteg a szabad elektronok áramlásának az útjában. A fénykibocsátás úgy keletkezik, hogy a töltéshordozók áramlása folyamán a szabad elektronok nagyobb töltésű elektronpályára lépnek. Az elektron ezen állapota nem stabil, hanem ebből egy kis idő elteltével visszaugrik az eredeti pályájára. A többletenergia, amivel előzőleg képes volt feljebb lépni, sugárzás formájában távozik. Ez a sugárzás a hullámhossztól függő fény formájában jelentkezik. A kibocsájtott fény színe a félvezető anyag összetételétől, ötvözőitől függ. A LED inkoherens keskeny spektrumú fényt bocsát ki, ami az infravöröstől az ultraibolyáig terjedhet. A fehér szín előállítása a kék színű LED megjelenésével vált lehetővé a 90-es évek elején. Két megoldás létezik, az egyik a színkeverés, ahol három különböző (RGB) színű dióda fényének keverése adja a fehér színt, a másik megoldás a fénycsövek fényporához hasonlóan működik. A fényporos megoldásnál kék fénnyel gerjesztik a speciálist fényport, amely sárgán világít. A gerjesztett sárga sugárzás és az eredeti kék fény keverésével egyetlen LED-ben is előállítható a fehér szín. [14]

4.3 A LED alkalmazási területei A kis mérete miatt minimális beépítési helyet igényel még a lámpatestbe épített változat esetén is, valamint miniatűr fényforrásokat lehet felhasználásával létrehozni. Ellentétben sok más fényforrással, alacsony környezeti hőmérséklet esetén nem csökken, hanem nő a kisugárzott fényáram. Alacsony egyenfeszültségről üzemel, amely széleskörű felhasználást biztosít. Mechanikai jellemzői alapján járművekben történő alkalmazásra is megfelelő választás. Fényspektrumának köszönhetően olyan esetben, ahol az ultraviola, illetve infravörös sugárzás nem kívánatos, külső szűrők használata nélkül is használható. A színes világítás megvalósításának lehetősége is adott, valamint a késleltetés nélküli fényáram-szabályzás, amivel dinamikus, színes világítási effektek valósíthatóak meg. A nagy fényáramú LED-ek megjelenésével az alkalmazási terület jelentősen

kibővült,

úgymint

autóipari

alkalmazás

(autólámpák,

műszerfal),

mobiltelefon-kamera villanófénye, kijelzők, hordozható világítás (elemlámpák, jelzőfények), tévékészülékek, szórakoztatóipar, díszvilágítás, közúti jelzőfények stb. A kereskedelmi forgalomban kapható diódák teljesítménye ma már eléri a 100 wattos nagyságrendet, fényük pedig meghaladja a 100 lm/W értéket. Ez az egyik legkedvezőbb érték jelenleg a világítástechnikában. Nagy ugrást jelentett a nagy teljesítményű LED-ek (Power LED chip) kifejlesztése és alkalmazása. A Power LED-ek hőtermelése jelentősebb, mint a hagyományos lednek, de még mindig jóval a normál izzóé alatt van. 20

A hőelvezetés miatt általában hűtőbordát építenek a LED köré és egy lencsén keresztül vezetik át a fényt ezáltal kontrasztos lesz a megvilágított terület és pontosan beállítható a sugárzási szög. A Power LED-ek továbbfejlesztett verziója a már a piacon is megjelent Multichip Power LED, amelyben tulajdonképpen több elemi Power LED chip-et építenek egyetlen fénykibocsátó alkatrésszé.

7. ábra: 10W teljesítményű LED-chipek

Általában színhőmérséklet szerint 3 kategóriát különböztethetünk meg, a hideg, természetes és meleg fehér fényűeket. A következő ábrán az általuk kibocsájtott fény spektrális eloszlását láthatjuk összehasonlítva. Az alacsonyabb hullámhossznál jól kivehető a félvezető által kibocsájtott keskeny spektrumú kék fény valamint tőle jól elkülönül nagyobb hullámhossztartományban az ezzel gerjesztett fénypor által kibocsájtott szélesebb spektrum:

8. ábra: Hideg, meleg és természetes fehér fényű modulok spektrális eloszlása

21

5. Világítás tervezése MSP430 mikrokontrollerrel 5.1 A tervezett világítás A tervezett világítás kapacitív kapcsolóval ellátott kezelőegységekből, egy központi elektronikából és a lámpatestekbe beépített szabályzó elektronikából áll. Egy lámpatesthez 4db 10W-os power-LED modult terveztem, viszont a hatásfok és élettartam kedvezőbb értéke miatt egy lámpatest a 40W-os maximális teljesítmény helyett csak 13W-os teljesítménnyel működik. A később bemutatott LED-modul karakterisztikából kiolvasva látszik, hogy a hatásfokuk 900mA-es maximális üzemi áram helyett 300mA-es áramnál a legnagyobb. Itt a hőtermelés is jelentősen kisebb. A LED modulokat ennek ellenére hűtőbordára kell szerelni. A kezelők 2 db kapacitív érzékelővel vannak ellátva, a központba ezek árintésének megfelelő adatot továbbítanak. A központ ezt az adatot továbbítja a lámpatesteknek, valamint folyamatosan monitorozza a kimenő teljesítményt a kimeneten mért feszültség és áram segítségével. Az egész rendszer 24V-os törpefeszültségről működik, maximum 10db kezelőből és lámpatestből áll. Blokkvázlata a következő képen látható:

9. ábra: Tervezett rendszer blokkvázlata

22

5.2 Elektronika 5.2.1

A kezelőegység

A világítás 3 fő egységből áll. A Lámpatestekből, a központi elektronikából valamint a kezelőegységekből. A kezelőegység segítségével lehet a kívánt világítást a kiválasztott lámpatesten beállítani. Ehhez 2 kapacitív érzékelő használatát terveztem, amelyek érintése az MSP430G2553 mikrokontroller által van érzékelve, majd az ennek megfelelő adatcsomag a központ felé továbbítva. Az MSP430 a Texas Instruments által gyártott széleskörűen használható mikrokontroller család. A tervezéshez kiválasztott típus és a lábkiosztása az alábbi ábrán látható:

10. ábra: MSP430G2553 lábkiosztás [6]

A következő ábra a felépítést mutatja:

11. ábra: MSP430G2553 mikrokontroller blokkvázlata [6]

A minél egyszerűbb vezetékezés biztosítására összesen egy érpárt terveztem. A tápfeszültség ellátást és a kommunikációt is ezen kell megvalósítani. Mivel az MSP430 23

típuscsalád rendkívül alacsony, 300uA áramigényű aktív módban ezt kihasználva az adatátvitelre

az

elektronika

áramfelvételének

változtatását

terveztem.

T1-T2

áramgenerátorként a LED1-en 2mA áramot állít be ami T3 nyitásakor 50mA-re emelkedik. Az áramfelvételt a háttérvilágításra használt LED-nél 2mA és 50mA értékek között változtatva a központ stabilan képes a két áramérték megkülönböztetésére. A tétlen üzemmód alacsony áramértéke miatt több kezelő is beköthető ugyanarra az érpárra a központban, így a maximálisan tervezett 10 kezelő együttes 20ma áramfelvétele és az egy kezelő általi 50ma jól megkülönböztethető marad. A tétlen üzemmódban a 2mA érték elég a kezelő háttérvilágításaként használt LED segítségével egy halvány fényhez. Ez sötétben segíti a kezelő használatát, valamint a kapacitív gombok érintésekor a LED-en átfolyó 50mA miatt jól látható visszajelzést kapunk az érzékelés sikerességéről és az éppen folyó kommunikációról a tervezett elektronika kapcsolási rajza a következő ábrán látható:

12. ábra: kezelő egység kapcsolási rajza

A központ felé a con2-GND csatlakozópont valamint a con1-tápfeszültség és kommunikáció van bekötve. IC1 a 3,3V-os stabilizált feszültséget állítja elő kapcsolóüzemben a mikrokontroller számára. Ez egy monolith step-up step-down és feszültség

inverter

módot

is

támogató

kapcsolóüzemű

szabályzó,

beépített 24

kapcsolótranzisztorral ami maximálisan 1,5A-es áramcsúcsot képes elviselni. Mivel az MSP430-as mikrokontroller család rendkívül kisfogyasztású, mA nagyságrendű az áramfelvétele így ehhez a kapcsoláshoz elég a belső tranzisztor használata. Az alábbi ábrán a tokozást a lábkiosztással és a belső felépítését láthatjuk:

13. ábra: MC34063 lábkiosztás és blokkvázlat [7]

Mivel kevés külső alkatrészt igényel egyszerűen építhető segítségével a mikrokontroller számára egy jó hatásfokú kapcsolóüzemű tápegység. C2-vel az oszcillátorát állítjuk be. A szabályzást a PIN5 bemenő feszültségének a belső 1,25V-os referenciával történő összehasonlítással végzi. A tényleges kimeneti feszültséget az R9/R8 általi feszültségosztóval állítjuk be, R7 segítségével pedig áramfigyelést végez az IC. D1/C4 segítségével a bemenő feszültségről a kommunikációkor fellépő feszültségingadozás van leválasztva. A kommunikációt T1/T2-áramgenerátor áramának változtatásával valósítja meg az áramkör. T3 zárt állapotakor R4+R3 körülbelül 2mA áramot állít be. Ha a mikrokontroller kimenetén magas szint van T3 nyit és az áramgenerátor 50mA értékre vált. Az áramgenerátor árama T2 nyitott állapotának bázisfeszültsége és a B-E közötti ellenállással számítható. A T3 nyitott állapotában viszont nem 0 ohm, ilyenkor a szaturációs feszültségét a T2 B-E feszültségéből kivonva számíthatjuk az áramgenerátor áramát. Az alábbi karakterisztikából leolvasva ez 50mA kollektor áramnál 25mV körüli értékre adódik:

14. ábra: BC818 kollektor áram és szaturációs feszültség

25

T3 bázisáramát R6-al állítjuk be, a fenti kapcsolásban ez 4mA, amivel még a mikrokontroller kimenetei terhelhetőek. A két kapacitív érzékelő a P2.2-IN1 és P2.3IN2 bemenetekre kapcsolódik, a kommunikációra a P1.0 van használva kimenetként. A kapacitív érzékelő kialakítható a NYÁK készítésére használatos panelből is. Ezen a szenzorokat egy-egy 1cm átmérőjő felületből kialakítva megfelelően érzékeny megoldást kapunk. Az alábbi kép egy lehetséges megoldást ábrázol:

15. ábra: kapacitív szenzor kialakítása NYÁK lapon

A kialakított kapacitív érzékelőket biztonsági üveg belső felének szitázással történő festése és a szenzorok jelülése után a belső felületre rögzíthetjük. Így tartós és jól használható megoldást érhetünk el. 5.2.2

Központi egység

A központi egység feladata, hogy a kezelőktől érkező vezérlő jeleket feldolgozza, és a lámpatesteknek

továbbítsa.

A

tervezéséhez

szintén

az

MSP430G2553-as

mikrokontrollert használtam fel. Plusz funkcióként, mivel a mikrokontroller rendelkezik AD-konverterekkel képes az aktuális kimeneti feszültséget és áramot monitorozni, majd ebből egy aktuális kimeneti teljesítményt számolni. Egy 24V-os egyenfeszültségről működtethető, valamint rajta keresztül kapják a kezelők és a világítótestek a működésükhöz szükséges energiát. A központi áramkör 3db MC34063 szabályzó IC-t tartalmaz. Ezek állítják elő a szükséges tápfeszültségeket kapcsolóüzemű DC-DC konverterként. IC1 3,3V-ot a mikrokontrollernek, IC2 5V-ot az LCD modulnak, az IC3 által előállított 12V-os feszültség pedig a kezelőegységeket táplálja valamint IC4 műveleti erősítőt. IC4 a kezelők által küldött adatoknak megfelelő négyszögjelet állítja elő a mikrokontroller számára. R12-n a kezelők által felvett árammal arányos feszültség esik, alaphelyzetben ez 10 kezelőnél 20mA értékű, kevesebb kezelő esetén 20mA alatti érték. Ha valamelyik kezelő adatot küld a központ felé az R12-n jelentkező 50mA-es 26

impulzusok R12=20ohm esetén 1V-os impulzusokként jelentkeznek. 20ma-es nyugalmi áramnál ez 0,4V-os nyugalmi feszültségre adódik. A két érték megkülönböztetését és a négyszögjel előállítását IC4-LM321 műveleti erősítő komparátor kapcsolásban végzi. Invertáló bemenetét 0,6V-os feszültségre állítja be a VR1-TL431 referencia feszültségforrás és az általa előállított feszültséget leosztó R14-R15+P2 feszültségosztó. A tervezett áramkör kapcsolási rajza a következő ábrán látható:

16. ábra: központi áramkör

A TL431 funkcionális blokkdiagramja a következő ábrán látható:

17. ábra: TL431 blokkvázlat

P2-potenciométerrel a pontos érték beállítására van lehetőség. A műveleti erősítő kimenetén megjelenő impulzusokat R18 vezeti a mikrokontroller P2.3-as bemenetére.

27

A kezelővel szemben viszont itt van egy külön vezeték, ami az adatok küldésére szolgál. Ezen feszültségimpulzusokat állít elő T1 vezérlésével a mikrokontroller. Nyugalmi helyzetben T1 zárt, az adatbusz R30 által pozitív feszültségre kerül. A mikrokontroller kimenetén a kommunikációkor megjelenő impulzusok nyitják T1-et és 0V-os kimeneti impulzusok jelennek meg a lámpatestek vezérlésére szolgáló vezetéken. A központ további funkciója, hogy az aktuális kimeneti áramot, feszültséget és teljesítményt monitorozza. Erre a beépített AD konverter jól használható. A P1.6-al az áramot a P1.7-el pedig a feszültséget monitorozzuk. A feszültség esetén R21-R22 segítségével 10-es osztást végzünk, a leosztott feszültség közvetlenül a kontroller bemenetére kerül. Az áram méréséhez az R20 sönt ellenálláson eső feszültséget az IC5el felépített feszültségerősítő teszi jól mérhetővé a kontroller számára. Az erősítést és ezzel együtt az árammérés pontosságát P1 potenciométerrel tudjuk beállítani. A kijelzéshez egy alfanumerikus LCD modult választottam, ami alkalmas szöveges információ megjelenítésére is. Ennél az LCD-nél nem kell közvetlenül a szegmensek vezérlésével foglalkozni mivel bele van építve egy HD44780-as vezérlő IC, ami az általunk küldött adatoknak megfelelően vezérli az LCD szegmenseit. A kiválasztott típus 4 sorban, soronként 20 karakter megjelenítésére alkalmas. A kijelző a következő képen látható működés közben:

18. ábra: kijelzéshez használt LCD modul működés közben

A legalsó sorban az éppen mért feszültség, áramerősség és az ebből számított teljesítmény látható, fölöttük a leolvasás könnyítésére a megnevezésük. A legfelső sorban az utolsó beérkezett adat látható, alatta a kommunikációkor mért L-szintnek, középértéknek, valamint a H szintnek megfelelő számlálóértékek kerültek kiíratásra. Ezt

28

csak a kommunikáció stabilitásának vizsgálata érdekében irattattam ki. A kijelző modulnak 16 kivezetése van. A lábkiosztása a következő ábrán látható:

19. ábra: LCD lábkiosztás [3]

A kivezetések funkciói az alábbi táblázatban láthatóak: 2.táblázat: LCD kijelző kivezetéseinek funkciói [3]

PIN 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Név VSS VCC V0 RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 LED+ LED-

Funkció GND +5V-os tápfeszültség Kontraszt beállítás Regiszterválasztás Olvasás / írás választása Engedélyező jel adatbusz 0.bit adatbusz 1.bit adatbusz 2.bit adatbusz 3.bit adatbusz 4.bit adatbusz 5.bit adatbusz 6.bit adatbusz 7.bit Háttérvilágítás + Háttérvilágítás -

Mivel a mikrovezérlő 3,3V-os jelszinttel működik az LCD pedig 5V-os TTL szintekkel a mikrovezérlő által kiadott magas szintet az LCD magasnak érzékeli. Viszont az LCD által kiadott 5V-os jelszintet a mikrovezérlő nem lenne képes elviselni ezért az 5-ös láb fixen 0V-ra kötésével megakadályozzuk, hogy az LCD adás üzemmódba kapcsoljon. Így azonban nem tudjuk használni az LCD modul foglaltságának figyelését. Ugyan a kijelző 8biten vezérelhető, lehetőség van 4 bites módra kapcsolni. Ez a kontroller kimeneteivel takarékosabb mód, így 4 kimenet szabadon marad, amit másra tudunk használni, a kijelző D0, D1, D2 és D3 bemeneteit pedig 0V-ra kell kötni. Az egyszerűbb huzalozás, valamint a későbbi esetleges fejlesztés miatt a 4 bites mód mellett döntöttem. Így a kontroller szabadon maradt kimenetei később akár plusz funkciók ellátására is lehetőséget adnak. 29

5.2.3

LED lámpatest

A lámpatest tervezésekor az E27-es, GU10-es és egyéb előre gyártott foglalattal rendelkező kész megoldásokat elvetettem. Ez ugyan kizárja a már meglévő egységekkel a kompatibilitást viszont az elérni kívánt hosszú élettartam és jó hatásfok valamint a kívánt funkciók miatt szükséges. A korszerű LED-modulok ugyan akár 100000 órás élettartamot is elérhetnek megfelelő üzemi körülmények között ennek ellenére a boltok polcain jelenleg inkább csak 12-25 ezer órás izzókat találunk. Nyilván ennek egyik oka a megfelelő kompatibilitás miatti kötött kivitel. Ezen felül a jelenleg kereskedelmi forgalomban

kapható

világítótestek

között

nem

találtam

olyat,

aminél

a

fényerőszabályozás, a 100000 órás élettartam alacsony üzemi hőmérséklettel és az ehhez tartozó maximális hatásfokkal együtt elérhető lenne, valamint 4500K körüli a természetes fényhez közelebb álló színhőmérséklettel rendelkezne. Első volt a megfelelő LED-chip kiválasztása. Én az Epistar gyártmányú 10w-os 4500K színhőmérsékletű modulokat választottam. A színhőmérséklet kiválasztásakor a 2800K, 4500K és 6000K állt rendelkezésre. A 4500K végül a 3 modul fényének összehasonlításával szubjektív döntés eredménye volt. Természetesen ugyanígy akár a melegebb fehér fényt adó 2800K színhőmérsékletű modul is használható, elektromos paramétereik teljesen azonosak. Az alábbi képek a modul legfontosabb paramétereit tartalmazzák:

20. ábra: 10W-os Epistar white LED fontosabb adatai [15]

30

Az alábbi ábrák a hőmérséklet, a meghajtó áram és a hatásfok kapcsolatát mutatják:

21. ábra: 10W-os Epistar white LED karakterisztikái[15]

Leolvasható, hogy 55 Celsius fölött az engedélyezett meghajtóáram rohamosan csökken valamint ezen a hőmérsékleten a relatív fénykibocsájtás már csak 85-90%. A meghajtóáram és relatív fényintenzitás összefüggésből az is látszik, hogy alacsonyabb meghajtóáram szintén jobb hatásfokot eredményez. A karakterisztikából leolvasva láthatjuk, hogy 300mA felett a görbe emelkedése csökken, emiatt én a meghajtóáramot az ajánlott 900mA helyett 300mA értékűnek választottam. A tervezett elektronika a következő ábrán látható:

22. ábra: Kapcsolóüzemű áramgenerátor LED meghajtáshoz

31

A LED-modulok meghajtása áramgenerátoros üzemmódban történik. Két konvertert tartalmaz a kapcsolás MC34063 használatával. IC2 a mikrokontroller számára állítja elő a 3,3V-os tápfeszültséget. Nyugalmi állapotban A mikrokontroller kimenetei alacsony szintűek, így T1 zárt, aminek következtében T3 is zárt állapotban van. Így IC1 nem kapja meg a működéséhez szükséges tápfeszültséget. Ebből az állapotból a bejövő vezérlés esetén vált át aktív állapotba az elektronika. Ilyenkor a mikrokontroller P1.1 kimenete magas szintre vált, nyitja T1 tranzisztort majd R15-ön keresztül T3 is nyitott állapotba kerül. IC1 és IC3 ezután már megkapja a bejövő tápfeszültséget. Az IC1-el felépített DC-DC konverter árama a teljesítmény LED meghajtására van használva, a kimenetére az alábbi kapcsolás szerint 4db 10W-os epistar modult terveztem.

23. ábra: LED modul kapcsolása

A maximális terhelőáram 600mA aminél a LED-modulok árama 300mA. Emiatt a belső kapcsolótranzisztor helyett egy külső tranzisztort is tartalmaz a kapcsolás a nagyobb terhelhetőségért. A kimenő feszültségét 3 kör szabályozza. Terheletlen állapotban, egy esetleges LED-modul meghibásodásakor R11-R12-D3-on keresztül egy maximális 22V-os feszültség van beállítva. Bekapcsolt állapotban maximális fényerőnél az R10-en folyik keresztül a LED-modulok árama. Az itt eső feszültséget IC3 erősíti fel majd R9en keresztül ez IC1-et 600mA-es, áramgenerátoros módba szabályozza. Ettől kisebb értékű fényerő a mikrokontroller által előállított PWM jel és annak R13-C8 által D4-en keresztül IC1 szabályzó bemenetére jutásával érhető el. Minél nagyobb a PWM jel kitöltési tényezője annál kisebb lesz a kimenőáram és ezáltal a fényerő. A bejövő kommunikációt T2 tranzisztor érzékeli és továbbítja a mikrokontroller felé. Nyugalmi helyzetben a vezérlő bemenet pozitív feszültségén keresztül T2 nyitott állapotban van, a mikrokontroller P2.3-as lábát 0V-os potenciálra húzza. Bejövő impulzusok hatására T2 lezár és a mikrokontroller bemenete R17-el 3,3V-os tápfeszültségre kerül. 32

5.3 Szoftver 5.3.1

Kezelő

A kapacitív érzékeléshez a beépített pin-oszcillátor funkciót használjuk. A mérés elve, hogy a pin-oszcillátor frekvenciája megváltozik a kapacitív bemenetek aktív állapotakor. Ez a beállított watchdog megszakítás idejére különböző értéket eredményez timer_a regiszterében. Ezt kiolvasva megtudjuk különböztetni a kapacitív bemenet aktív és inaktív állapotát. A kapacitív bemenetek állapotának figyelésére megírt programrészlet látható a következő ábrán:

24. ábra: bemenetek aktív állapotának figyelése

Amennyiben valamelyik bemenet aktiválódik a program az ennek megfelelő kommunikációs csomagot kezdi küldeni a központ felé. Ez egész addig ismétlődve küldésre kerül, míg a bemenet aktív állapotban van. A kommunikáció egy csomagjának a mikrokontroller kimenetén oszcilloszkóppal mért jelalakja a következő ábrán látható, ha a kezelő címe „0001” valamint az adat „01”:

25. ábra: oszcilloszkóp ábra a kommunikációról

Az információt a magas áramértékek felfutóélei közötti idő hordozza. Logikai „1” esetén 0,4ms, logikai „0” esetén 0,8ms az áramfelvétel felfutóéleinek a távolsága. Az első impulzus szélessége 0,5ms majd 0,5ms várakozás következik. Ez még információt nem hordoz, a központ programjában viszont az első impulzus felfutóéle megszakítást generál, ami meghívja az adat fogadására megírt rutint. Az így eltelt 1ms biztosítja, 33

hogy a további impulzusok küldésekor a központ már biztosan fogadásra kész állapotban legyen. A következő 2 impulzus között eltelt idő a logikai „1” és a logikai „0” közötti idő felének felel meg. Ezt a központ a logikai szintek idejének kalibrálásához használja, hogy az ezután következő impulzusok közötti időt ezzel összehasonlítva a cím és adat stabilan meghatározható legyen. Ezután a kezelő azonosításához szükséges 4 bit kerül kiküldésre, ami a fenti ábrán „1000” majd a két adatbit, jelen esetben „01” A kapacitív érzékelők közül a P2.2 aktív állapota esetén az adat „01” ami a fényerő csökkentését jelenti, a P2.3 esetén „10” ami a fényerő növelését. A teljes adatcsomag kiküldése maximum 6ms idő alatt megtörténik. A folyamatos gombérintés esetén az adatcsomag folyamatosan újra és újra ismétlődve küldésre kerül, viszont az adatcsomagok küldése között legalább 30ms telik el a kezelő programja szerint. Ez szükséges ahhoz, hogy a központ a beérkezett adatot feldolgozza és tovább is küldje a kimenetén a lámpatestek felé. A megírt programban a kommunikáció 3 részre tagolódik, külön rész van a kommunikáció indítására, a kezelő címének küldésére és a gombérintésnek megfelelő adat küldésére. A következő képen mindhárom szerepel:

26. ábra: kommunikációt megvalósító programrészletek

A „delay_ms(x)” értékek nem ms-ok, hanem 10-el osztva kapjuk meg a tényleges értéket, a „delay_ms” részben megadott órajelciklusok és a 8MHz-es órajel miatt. 34

A kezelő teljes programjának flow-chart diagramja látható a következő képen:

27. ábra: Kezelő egység programjának folyamatábrája

35

5.3.2

Központ

A kezelőktől kommunikáció esetén beérkező impulzus a P2.3-as bemeneten megszakítást eredményez, ami meghívja a kommunikáció fogadásáért felelős modult. Az interrupt beállítása látható a következő programrészleten:

28. ábra: megszakítás beállítás

Ha a megszakítás megtörtént a kommunikáció bitjeinek meghatározásához a központ két impulzus kezdetének távolságát használja. Az első két impulzus idejét méri, majd ezt egy változóban tárolja. Az ezt végrehajtó programrészlet a következő:

29. ábra: kezdeti érték meghatározása

Az ezután következő impulzusok már az adatot küldő kezelő egyedi címét és a kezelőn történt bemenet érintésének megfelelő adatot határozzák meg. Az első két impulzus távolsága 0,6ms az ezután küldött impulzusoké logikai „1” esetén 0,4ms logikai „0” esetén 0,8ms. A logikai szint meghatározásához a központ az aktuálisan mért adatot a mentett kezdeti értékkel hasonlítja össze. Az erre szolgáló programrészlet látható a következő ábrán egy bit esetén:

30. ábra: küldött bit értékének meghatározása

36

Miután a 4 címbit és a 2 adatbit is megérkezett, ami átlagosan 6ms idő, a kontroller egy változóba menti az adatot. A kezelők programja szerint egy adatcsomag után 30ms ideig nem jön következő adat, így még a megszakításból való kilépés előtt tovább is küldi a kontroller a vezérlő jeleket a lámpatestek felé. Így biztosított az, hogy a következő bejövő adat által okozott megszakítás esetlegesen a kimenő kommunikációt szakítsa meg. A P2.4 láb van használva a kontrolleren a lámpatestek felé történő adatküldésre, a kommunikáció sémája megegyezik a kezelők és a központ között történővel. Itt is az impulzusok közötti idő dönti el, hogy egy bit „0” vagy „1” értékű, valamint a kommunikáció szintén egy kalibrálásra használt impulzustávolságból valamint az utána következő 4 cím és 2 adatbitből áll. Amennyiben nem folyik kommunikáció a program megszakítás nélkül a bemeneteket monitorozza és az értékekből aktuállis teljesítményt számol. A feszültség és árammérésért felelős modulok megegyeznek a mikrovezérlő programjában, a feszültségmérésé látható a következő ábrán:

31. ábra: feszültségmérés belső ADC segítségével

Az első sorban beállítjuk, hogy belső referenciát használunk, ez 2,5V majd bekapcsoljuk azt. Ezután beállítjuk a P1.7-et bemenetnek, ezután történik a bemenőjel AD konverziója a referencia segítségével. Végül az eredményt változóba mentjük. A későbbi kijelzéshez ezt még konvertálni kell. Ezt maradékosztásos módszerrel végzi a program a következő képen látható módon:

32. ábra: maradékosztásos konverzió

37

Az áram kijelzéséhez is ugyanígy kapjuk meg az értéket, majd külön változóban táruljuk értékét a kijelzéshez. Különbség a teljesítmény meghatározásában van, ugyanis azt nem mérjük, hanem a feszültség és áram mért értékéből szorzással állítjuk elő. Az értékek kijelzőre írásához azt először inicializálni kell. A az általam választott 4-bites módhoz először a kijelző inicializálásakor az RS, RW 0Vos szintje valamint D7..D4 „0011” állapota mellett háromszor egymás után magas szintre kell emelni az E bemenetet. Ezután D7..D4 „0010” állapotakor az E bemenet magas szintre emelésekor a kijelző 4-bites üzemmódra vált. Az ezt végrehajtó programrészlet látható a következő ábrán[3]:

33. ábra: kijelző inicializálása 4-bites módban

Ezután még a sorok számát és a fontméretet kell beállítanunk a megfelelő kijelzéshez majd kijelző törlése és a kurzor kikapcsolása után az inicalizáció véget ér. Ezt az inicializálást csak egyszer, a bekapcsoláskor kell végrehajtani. Ezután a kijelzőn való megjelenítéshez a kívánt adatot két félbájtként a D3..D0 bemenetre kapcsolva majd az engedélyező lábra impulzust kiadva írhatunk a kijelzőre. Az egy bájt kiküldését a 4 bites üzemmódnak megfelelően elvégző programrészlet látható a következő ábrán[3]:

34. ábra: LCD modul írása két félbájttal

A „val” változó tartalmazza a kiírandó adatot, az „LCD_PORT” a P1OUT regisztert jelenti míg az „LCD_MASK” az ezen belüli bitcsoportot, azaz a konkrét adatbiteknek megfelelő lábakat a mikrokontrolleren. A „cmd” változó azt határozza meg, hogy éppen adatot vagy parancsot küldünk a kijelzőnek. 38

A központ programjának folyamatábrája a következő képen látható:

35. ábra: központ programjának folyamatábrája

39

5.3.3

Lámpatest

A bemeneten jelentkező felfutóél miatt történő megszakítás meghívja a kommunikáció fogadására megírt modult, ami a központnál ismertetett módon az impulzusok távolságából egy középértéket mér, majd ezután ennek és a további impulzusok távolságának összehasonlításával meghatározza a küldött címet és adatot. Ha a saját címével megegyezik az adatcsomag címe, akkor a kétbites adat szerint módosítja a meghajtóáramkör állapotát. Amennyiben a kezdeti állapot kikapcsolt állapot volt, és az adat „01” akkor magas szintre kapcsolja P1.1 kimenetet, aminek hatására feszültség alá kerül a LED meghajtó áramkör. Ezzel egyidőben az előre beállított maximális kitöltésű PWM jellel egy minimális fényerőre szabályozza a LED-modulokat. További beérkező „01” adat esetén a PWM kitöltési tényezőjét csökkenti, ezáltal a kimenő áram és fényerő növekszik, a fényerő csökkentése ezzel ellentétesen zajlik. Maximális fényerőt elérve a PWM kimenetet alacsony szintre kapcsolja a kontroller. A lámpatest programjának folyamatábrája a következő ábrán látható:

36. ábra: lámpatest programjának folyamatábrája

40

6. Fejlesztőkörnyezet, programozás Az MSP430-as mikrokontroller család programozásához a Launchpad elnevezésű modult használhatjuk. Ez a Texas Instruments által gyártott fejlesztői kártya. A modul az alábbi képen látható:

37. ábra: MSP-EXP430G2 Launchpad

A kártya közepén található egy 20 pólusú IC csatlakozó, ide helyezhetjük a felprogramozáshoz és a debugoláshoz a mikrokontrollert. Az IC foglalat minden lába ki van vezetve a panel két oldalára, kiegészítő áramkörökhöz könnyen csatlakoztatható. A kártya felső részén található a táp és mini USB csatlakozó, az alsó részén pedig a RESET gomb, két LED és az S2 nyomógomb. A számítógéphez USB kábel segítségével csatlakoztatható. Tartalmaz 2 nyomógombot, egyikkel a mikrokontroller resetelhető a másik a P1.3 és a föld közé van bekötve. A panelen ugyan ki van építve a helye, de a rev1.5 verzió, ami nekem is van, nem tartalmazza az R34 felhúzó ellenállást. Így a nyomógomb használatához vagy utólag pótoljuk az ellenállást, vagy pedig be kell kapcsolni a mikrokontroller belső felhúzó ellenállását. Ezen kívül jumpereken át a P1.0 és P1.6 lábakra LED is köthető. A panel felső részén található a mikrovezérlő felprogramozására és a program nyomkövetésére, debugolására szolgáló áramkör. Ezt a mikrovezérlővel 5db jumper köti össze, melyeken a tápfeszültség, a programozás és programkövetés valamint a soros kommunikáció folyhat. A PC-re több programból is választhatunk, ami kompatibilis a fejlesztői kártyával. Az ingyenes Energia, a szintén ingyenesen használható Code Composer stúdió és az IAR Embedded workbench 41

alkalmazás mind támogatja. Én az IAR Embedded workbench 8Kb kódlimites ingyenes verzióját használtam a programok megírására és tesztelésére. A mikrokontroller programját írhatjuk assembly vagy c nyelven is, én a c nyelvet választottam. Az IAR indítása után egy új projectet kell létrehozni, majd beállítani a project tulajdonságait a „project/create new project” menüpontban:

38. ábra: c nyelvű project létrehozása

Ezután a project beállításai között ki kell választani a használni kívánt mikrokontroller típusát, valamint ha a programot futtatva debugolni szeretnénk a Debugger/Setup alatt a driver értéknél ki kell választani a FET debuggert. Ez a „flash emulation tool” rövidítése:

39. ábra: FET debugger beállítása

A kész programot a main.c ablakban írhatjuk, mentés után feltölthetjük és a debuggert is elindíthatjuk a „make and restart debugger” gomb segítségével:

40. ábra: program feltöltése debugolás indítása

42

Összefoglalás A LED technológia és a LED-ek világításban történő használata számomra érdekes és vonzó. Viszont jelenleg csak kompromisszumok árán lehet egyszerűen LED világításra

áttérni

és

a

lehetőségek

emiatt

nincsenek

igazán

kihasználva.

Szakdolgozatomban egy saját, egyedi kommunikációval és felépítéssel ellátott rendszert terveztem, aminek a telepítése nem igényel sokkal több plusz vezetékezést a hagyományos rendszerekkel szemben mégis lehetőség van automatizálni, a fényerőt szabályozni valamint későbbiek folyamán esetleges fejlesztéssel a hálózat átépítése nélkül csupán szoftveresen korszerűbbé és jobban használhatóvá tenni. Jelenleg ugyan csak egyszerű fényerőszabályzásban merül ki a kezelők funkciója, de ezt lehetőség van tovább bővíteni. A megépítés és tesztelés folyamán tapasztaltak alapján a kapacitív szenzorok alkalmasak az egyszerű érintés visszajelzésen felül közelség érzékelésére is, valamint a szenzorok érintésének kombinációjával plusz funkciók elérhetőek lehetnek a program kis módosításával. Például a szenzorok előtti fentről lefelé kézmozdulattal fényerőszabályzás nélküli kikapcsolást, ellentétes esetben pedig maximális fényerőre kapcsolást is el lehetne érni. A központ jelenleg csak az aktuális kimeneti értékeket jelzi ki, de ezt is lehetne fejleszteni, az értékeket logolni későbbi információszerzéshez. Az MSP430 uart funkciójának segítségével számítógépes rendszerhez is illeszthető lehet a rendszer.A fejlesztést a LED chipek és a mikrokontroller kiválasztásával kezdtem. A kihívást elsősorban a mikrovezérlő programozása jelentette, először írtam c programot, ami valós funkciót lát el és gyakorlatban is meg lett valósítva. A megíráshoz több lehetőség közül az IAR Embedded Workbench programra esett a választás, bár kipróbáltam az Energia és a Code Composer Studio fejlesztői környezetet is. Számomra az IAR volt szimpatikus a gyors működés, programfordítás és debugolás, valamint az alapból elérhető header fileok miatt. Összességében sikerült egy működő rendszert terveznem, bár az igazi próba, a hosszabb tesztelés és használat még hátravan. Ennek ellenére úgy érzem sok hasznos plusz információt szereztem, és sikerült egy picit elmélyülnöm a mikrovezérlők programozásában is, amit már régóta szerettem volna megtenni, de konkrét feladat nélkül eddig ez nem sikerült. Végül szeretnék köszönetet mondani családomnak: feleségemnek, Katának, és gyermekeinknek, Barbarának és Viviennek, hogy a támogatásért, és a szakdolgozat készítésére fordított idő elviseléséért. 43

Summary The using of LED technology and LED lighting is interesting and appealing to me. But at this time no chance to switch to LED lighting simply and without of compromises. In my thesis I designed a system with a unique communication and structure which isn’t require a lot of more extra wiring compared to the conventional systems but still have functions for regulate the brightness and chance to develop modern functions for it without reconstruction the whole network. Currently the function only for regulate the brightness but it is also possible to expand the functions. During the construction I had many experiences. Based on them the capacitive sensors are capable to read also the proximity level and with the combination of the sensor touching and the proximity level many new functions will be available. For example if you move your hand from top to down in front of the sensor, the switch off is achievable without the regulation. The main unit currently has capabilities to display the current output values but with a little development it can be logging them for gathering information in the future. Further possibility is to connect the MSP430 to PC system with uart pins, as well. The development was started in the LED chip and the microcontroller selection. The challenge was to programming a microcontroller because it was the first time when I made a c program which was used for real device. There are several ways to write a program, I decided to use the IAR Embedded Workbench. I also tried the Energia and the Code Composer studio but the IAR was the best for me. It has a lot of advantages for me. For example available header files, fastest operation, program compiling and debugging. Overall I got a working system but the real life test and the long using will happen in the future. Nevertheless I know that I gained a lot of new information with programming which I wanted to do since a while, but I didn’t do it without a specific task. Finally, I would like to thank of my family: my wife, Kata, and our children, Barbara and Vivien for their support and that they are tolerate the time which was spent for developing.

44

Alkatrészjegyzék Kezelő Alkatrész ......... ................ Érték C1.................... .....................1n C2.................... .................470p C3,C4 .............. ...................47u D1 ................... ................. S1M D2 ................... ..............SK310 IC1 .................. ... MC34063AD L1 .................... .............. 100uH LED1 .............. ....... BX-5730L R1.................... .................. 47K R2.................... ..................4,7k R3.................... .....................10 R4.................... ...................300 R5.................... .................. 15K R6.................... ...................680 R7.................... ..................0,33 R8.................... ................. 3,3K R9.................... .................... 2K T1,T2,T3 ......... ............. BC818 U$1 ................. ........ 430G2553

Központ

Lámpatest

Alkatrész ......... ................ Érték C1.................... ............ 1000uF C2,C5,C8- ....... ................ 470p C3.................... ................ 47uF C4.................... .................. 1nF C6.................... ................ 47uF C9.................... .............. 220uF D1,D2,D3- ...... ............. SK310 IC1,IC2, IC3 ... ...MC34063AD IC4,IC5 ........... ....... LM321MF IC6 .................. ........ 430G2553 L1,L2 .............. ................47uH L3 .................... ..............100uH LCD ................ . HD44780LCD P1 .................... ..................22K P2 .................... .................4,7K R1, R13,R14 ... ....................1K R2.................... .................3,3K R3,R21, R6,R10,R23 ...........2K R4.................... ........... 0,33 1W R5.................... ....................6K R7.................... ........... 0,33 1W R8.................... ..................47K R9.................... .................6,8K R11.................. ........... 0,33 1W R12.................. ................... 2,2 R15.................. ..................22K R17.................. .................... 47 R18.................. .................4,7K R19.................. .................1,8K R20.................. ......... 0,01 10W R22,R24 .......... ..................18K R25.................. ................100K R26.................. .................1,1K R27.................. .................... 47 R29.................. .................. 560 R30.................. .................. 240 T1 .................... ............. BC818 VR1 ................. ..............TL431

Alkatrész ...... ................ Érték C1,C2 ........... .................470p C3 ................. .............. 220uF C4 ................. ...............1000u C5 ................. ................ 47uF C6 ................. .................. 1nF C8 ................. .................... 1n D1,D2 ........... ............. SK310 D3,D4 ........... ............ 1N4148 IC1,IC2 ........ ...MC34063AD IC3 ............... ....... LM321MF L1 ................. .............. 220uH L2 ................. .............. 100uH R1 ................. ................ 100K R2 ................. ........... 0,22 2W R3 ................. ........... 0,33 1W R4,R11,R13,R15 ............2,2K R5 ................. ....................2K R6 ................. .................3,3K R7 ................. ..................47K R8 ................. ....................1K R9 ................. ..................20K R10 ............... ................... 0,2 R12 ............... ..................24K R14,R16 ....... .................. 560 R17 ............... .................1,5K R18 ............... ..................12K R19 ............... ....................1K T1,T2............ ............. BC818 T3 ................. ....... MJD32CG T4 ................. ...... MJD44H11 U1................. ........ 430G2553

45

Irodalomjegyzék [1]http://babylon-grow.eu/feny-i-36.html [2]https://ledizzok.hu/led-fenyforrasok/vilagitastechnikai-alapismeretek-esalapfogalmak [3]http://www.hobbielektronika.hu/cikkek/launchpad_ismerkedes_az_msp430_mikrove zerlokkel_i.html [4]http://www.ti.com/lit/ug/slau318g/slau318g.pdf - Launchpad development Kit User’s Guide [5]http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=slac435& fileType=zip –Launchpad software examples [6]http://www.ti.com/product/MSP430G2553/technicaldocuments [7]http://www.ti.com/product/MC34063A [8]Brian W. Kernighan - Dennis M. Ritchie: A C programozási nyelv. Műszaki Könyvkiadó Kft., 2008 [9]http://www.uni-obuda.hu/users/molnarka/Szakmernoki/Eloadasok/belsoter_2009.pdf [10]http://majorvill.hupont.hu/7/vilagitas-tortenete [11]http://www.uniobuda.hu/users/molnarka/Konferencia_eloadasok/Hogyan_mivel_vilagitsunk_gazdasag osan.pdf [12]http://oktel.hu/szolgaltatas/kamerarendszer/a-kepalkotas-alapjai/fenytan-esszinelmelet/ [13]http://www.doksi.hu/get.php?order=DisplayPreview&lid=10718&p=2 [14]http://www.ledmaster.hu/bulvar/A_Nobel_dijas_termek_435#.WDhPiiI1bSw [15]http://www.wayjun.com/Datasheet/Led/10W%20Epistar%2045mil%20Chip%20Hi gh%20Power%20LED.pdf

46

Ábra és táblázatjegyzék 1. ÁBRA: ELEKTROMÁGNESES SUGÁRZÁS ÉS FÉNY SPEKTRUMA ................................................................. 5 2. ÁBRA: EMBERI SZEM ÉRZÉKENYSÉGI GÖRBÉJE[13] ................................................................................. 5 3. ÁBRA: PLANCK-GÖRBE ............................................................................................................................. 8 4. ÁBRA: GYAKORI FÉNYFORRÁSOK JELLEMZŐ SPEKTRUMA ..................................................................... 10 5. ÁBRA: C-Γ KOORDINÁTARENDSZER........................................................................................................ 17 6. ÁBRA: PÉLDA SZIMMETRIKUS FÉNYELOSZLÁSRA ................................................................................... 17 7. ÁBRA: 10W TELJESÍTMÉNYŰ LED-CHIPEK .............................................................................................. 21 8. ÁBRA: HIDEG, MELEG ÉS TERMÉSZETES FEHÉR FÉNYŰ MODULOK SPEKTRÁLIS ELOSZLÁSA ................. 21 9. ÁBRA: TERVEZETT RENDSZER BLOKKVÁZLATA....................................................................................... 22 10. ÁBRA: MSP430G2553 LÁBKIOSZTÁS [6] ............................................................................................... 23 11. ÁBRA: MSP430G2553 MIKROKONTROLLER BLOKKVÁZLATA [6].......................................................... 23 12. ÁBRA: KEZELŐ EGYSÉG KAPCSOLÁSI RAJZA ......................................................................................... 24 13. ÁBRA: MC34063 LÁBKIOSZTÁS ÉS BLOKKVÁZLAT [7]........................................................................... 25 14. ÁBRA: BC818 KOLLEKTOR ÁRAM ÉS SZATURÁCIÓS FESZÜLTSÉG......................................................... 25 15. ÁBRA: KAPACITÍV SZENZOR KIALAKÍTÁSA NYÁK LAPON ...................................................................... 26 16. ÁBRA: KÖZPONTI ÁRAMKÖR ................................................................................................................ 27 17. ÁBRA: TL431 BLOKKVÁZLAT ................................................................................................................. 27 18. ÁBRA: KIJELZÉSHEZ HASZNÁLT LCD MODUL MŰKÖDÉS KÖZBEN ........................................................ 28 19. ÁBRA: LCD LÁBKIOSZTÁS [3] ................................................................................................................ 29 20. ÁBRA: 10W-OS EPISTAR WHITE LED FONTOSABB ADATAI [15] ........................................................... 30 21. ÁBRA: 10W-OS EPISTAR WHITE LED KARAKTERISZTIKÁI[15] ............................................................... 31 22. ÁBRA: KAPCSOLÓÜZEMŰ ÁRAMGENERÁTOR LED MEGHAJTÁSHOZ ................................................... 31 23. ÁBRA: LED MODUL KAPCSOLÁSA ......................................................................................................... 32 24. ÁBRA: BEMENETEK AKTÍV ÁLLAPOTÁNAK FIGYELÉSE ......................................................................... 33 25. ÁBRA: OSZCILLOSZKÓP ÁBRA A KOMMUNIKÁCIÓRÓL......................................................................... 33 26. ÁBRA: KOMMUNIKÁCIÓT MEGVALÓSÍTÓ PROGRAMRÉSZLETEK ........................................................ 34 27. ÁBRA: KEZELŐ EGYSÉG PROGRAMJÁNAK FOLYAMATÁBRÁJA ............................................................. 35 28. ÁBRA: MEGSZAKÍTÁS BEÁLLÍTÁS .......................................................................................................... 36 29. ÁBRA: KEZDETI ÉRTÉK MEGHATÁROZÁSA ........................................................................................... 36 30. ÁBRA: KÜLDÖTT BIT ÉRTÉKÉNEK MEGHATÁROZÁSA ........................................................................... 36 31. ÁBRA: FESZÜLTSÉGMÉRÉS BELSŐ ADC SEGÍTSÉGÉVEL ........................................................................ 37 32. ÁBRA: MARADÉKOSZTÁSOS KONVERZIÓ ............................................................................................. 37 33. ÁBRA: KIJELZŐ INICIALIZÁLÁSA 4-BITES MÓDBAN ............................................................................... 38 34. ÁBRA: LCD MODUL ÍRÁSA KÉT FÉLBÁJTTAL ......................................................................................... 38 35. ÁBRA: KÖZPONT PROGRAMJÁNAK FOLYAMATÁBRÁJA ....................................................................... 39 36. ÁBRA: LÁMPATEST PROGRAMJÁNAK FOLYAMATÁBRÁJA ................................................................... 40 37. ÁBRA: MSP-EXP430G2 LAUNCHPAD .................................................................................................... 41 38. ÁBRA: C NYELVŰ PROJECT LÉTREHOZÁSA............................................................................................ 42 40. ÁBRA: FET DEBUGGER BEÁLLÍTÁSA...................................................................................................... 42 41. ÁBRA: PROGRAM FELTÖLTÉSE DEBUGOLÁS INDÍTÁSA ........................................................................ 42 1.TÁBLÁZAT: SZÍNHŐMÉRSÉKLET ÉS HOZZÁ TARTOZÓ KELVIN ÉRTÉKEK[13] .............................................. 9 2.TÁBLÁZAT: LCD KIJELZŐ KIVEZETÉSEINEK FUNKCIÓI [3] ......................................................................... 29

47

CD melléklet tartalma Szakdolgozat szerkeszthető formában Szakdolgozat nem szerkeszthető formában kapcsolási rajzok:

-kezelő -központ -lámpatest

NYÁK-tervek:

-kezelő -központ -lámpatest

programkódok:

-kezelő -központ -lámpatest

Alkatrész adatlapok: -MSP430G2553 -MC34063 -TL431 -epistar 10W LED adatlap

48