Retroilluminazione RGB per cornici

RGB Frame

Ultimo aggiornamento: 27/10/2021

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PROGETTO
Sistema di retroilluminazione RGB per cornici

AUTORI
Walter Lain

CARATTERISTICHE
Questo progetto era nato per retroilluminare semplicemente con luce bianca una cornice Ikea Ribba 23x23 su cui volevo esporre un foglio di carta fatta a mano e filigranata presa al Museo della carta di Fabriano. Come al solito l'idea ha poi iniziato ad evolversi per conto suo...
1) Led bianchi con semplice interruttore e batteria a bordo scheda
2) ...e per ricaricare la batteria?
Aggiungi jack bordo scheda per ricarica (odio il litio, serve un fuel gauge per gestire la ricarica)
3) ...e se la facessi RGB, e alimentata dall'esterno (senza caricabatterie)?
Prevedi led RGB e microprocessore per controllarli, porta alimentazione dall'esterno con alimentatore, cambia topologia dei led (4 in serie)
4) ...e se ci mettessi un pulsante per fare partire e fermare il ciclo colore?
Prevedi pulsante
5) ...e se usassi il pulsante anche per selezionare colori fissi?
Okkkkkkk, il micro può gestire un po' di funzioni dopotutto (nota, prendere micro con più memoria giusto per sicurezza)
6) ...e se facesse anche ...
Aggiungi funzioni più complicate (cambio temporizzazione, solo colori caldi/freddi, ecc...)
7) ...e se poi mi servisse per una cornice di dimensione e forma diversa?
Uffa, avevo già fatto lo sbroglio del circuito... Aggiungi 4 connettori scheda-scheda per collegare assieme fino a 8 schede con un unico punto di alimentazione e controllo
8) ...e se volessi controllare il tutto da una domotica centralizzata?
E dagli... Aggiungi connessione RS485 per DMX512, prevedi software per setup modalità (master/slave) e indirizzo, sbroglia di nuovo tutto (e con questo fanno tre)
9) ...e poi?

Le specifiche finali sono le seguenti:

Dimensioni: 210x210mm, scheda FR4 2 strati con spessore standard
Alimentazione: 12Vdc 500mA, con Jack DC a bordo scheda
Potenza LED: 4.5W MAX
Numero LED: 80 RGB (20 serie di 4)
Funzioni: cicli colore (RGB, RGBW, rosso sempre on, verde sempre on, blu sempre on), colori fissi (24 + bianco), tempo di cicklo (20s, 60s, 140s, 300s, 600s), DMX master (uscita su indirizzi fissi 1, 2, 3), DMX slave (indirizzo selezionabile da 1 a 509)
Metodo di controllo: 1 pulsante NA, su scheda e remotabile
MCU: Microchip PIC16F15323/324/325 (serve almeno un 15324 per il firmware DMX512. Il 15323 può essere usato se non servono le funzionalità DMX512)

La scheda può essere facilmente ordinata da produttori di piccoli lotti di PCB (come ad esempio JLC, Itead o Seed).
I componenti sono tutti in tecnologia SMD, ma con un minimo di manualità e un saldatore decente, la scheda può essere assemblata a mano in un paio d'ore.

DOCUMENTI
Tutti i files necessari per la produzione sono già compressi in questo file zip, quindi se volete potete semplicemente scaricarlo e mandarlo in produzione.
Questa è la BOM completa con i codici d'ordine per Mouser, con le quantità esatte per una singola scheda (o il più vicino possibile) e calcoli per schede multiple.

Progetto Kicad (occorrono alcune librerie reperibili qui)
Software completo con funzionalità DMX
Software ridotto senza funzionalità DMX

Documenti in formato PDF
Schema elettrico
PCB (tutti gli strati)
Diagrammi per tutte le funzioni software
Manuale per il software con DMX
Manuale per il software con DMX

La scheda può essere utilizzata in qualunque modo nell'ambito della licenza CC-BY-NC-SA. Tuttavia, se avete intenzione di utilizzarla per qualsiasi cosa al di fuori di una scheda di prototipaggio hobbistica, vi suggerisco di verificarla con molta attenzione. Il circuito è stato testato in tutti i modi possibili, ma non posso garantire che funzioni sempre e in tutte le condizioni.

Per favore non chiedetemi se posso vendere kit o parti o qualunque altra cosa. La risposta è NO, perché non sarebbe conveniente per voi. Se non potete assemblarla da voi, alcuni dei fornitori di PCB che ho linkato sopra possono anche assemblare le schede per voi, oppure potete chiedere a qualche laboratorio di elettronica dalle vostre parti.

CONSIDERAZIONI
Sui LED
I LED selezionati (Osram Displix P3333) permettono una corrente massima di 30mA, 40mA, 50mA rispettivamente su Blu, Rosso e Verde, con una Vf tipica di 2.85V, 2.05V e 2.65V @20mA.
Teoricamente, il massimo che si può spremere da questi LED è quindi circa 6.84W, 6.56W e 10.6W. Tuttavia, tralasciando altre questioni pratiche, si è deciso di bilanciare la potenza in modo da non avere una variazione di luminosità di 3 volte passando da un solo colore a RGB e viceversa.
Si è selezionato un MOSFET con RDS molto bassa, in modo da non avere preoccupazioni di dissipazione (e in ogni caso il prezzo non era elevato). Sulla scheda ho previsto comunque dei footprint SOT-323 e SOT-23 con pinout GDS.

Sul processore
Al momento, si è scelto di utilizzare il PIC16F15325, il più fornito del gruppo, per avere tutto lo spazio possibile a disposizione per "giocare".
Lo spazio in memoria di un PIC16F15324 è tuttavia sufficiente per il software completo (DMX incluso), con abbastanza spazio libero per aggiungere altre funzioni. Se le funzionalità DMX non sono necessarie, è sufficiente un PIC16F15323.
Considerata la differenza di costo molto esigua (almeno per piccoli volumi), specialmente rispetto al costo totale dei LED, non sono sicuro valga la pena preoccuparsi troppo di usare le MCU più piccole. Qualora aggiungendo funzioni più evolute anche la memoria del PIC16F15325 non dovesse essere sufficiente, il pinout della serie PIC16F1832x è lo stesso (l'organizzazione interna purtroppo cambia, quindi il firmware è sicuramente da rimaneggiare), e il costo aumenta ancora di poco. In pratica, con un aumento del costo pari al 57% tra il modello più piccolo e il più grande, potete passare da 256 a 2048 bytes di RAM, da 3.5 a 28kb di FLASH, aggiungere 256 bytes di EEPROM vera (nella serie PIC16F1532x si usa un blocco di memoria FLASH programma, la "SAF", più complessa da leggere e scrivere e garantita per molti meno cicli), e passare da 3 a 7 timers, senza modificare il PCB.
Riassumendo:

MCU 16F	RAM	FLASH	EEPROM	Timer 8/16bit	Prezzo cad.
15323	256	3.5kb/2kw	0 (224b SAF)	1 / 2	0.584€
15324	512	7kb/4kw	0 (224b SAF)	1 / 2	0.652€
15325	1024	14kb/8kw	0 (224b SAF)	1 / 2	0.737€
18323	256	3.5kb/2kw	256b	4 / 3	0.669€
18324	512	7kb/4kw	256b	4 / 3	0.754€
18325	1024	14kb/8kw	256b	4 / 3	0.830€
18326	2048	28kb/16kw	256b	4 / 3	0.915€

N.B.: tutti i prezzi sono presi da Mouser il 15/10/2020, per singolo pezzo.

Sulla comunicazione
La scheda è fornita di un driver RS-485 bidirezionale. La cosa è stata pensata per poterla usare sia come slave che come master DMX512A, in modo simplex. Tuttavia, modificando opportunamente il software, possono essere aggiunte altre funzionalità, come ad esempio la RDM (ANSI E1.20), oppure può essere usata in modo half-duplex come seriale RS-485 con qualunque altro protocollo idoneo. Al momento non è prevista l'aggiunta del protocollo RDM, non disponendo di un dispositivo master con cui fare le prove.

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