Elektor

12/98

Bei dem Begriff Dimmer dürften die mei-
sten Menschen an den bekannten Dreh-
knopf denken, der statt des Lichtschal-
ters in die UP-Dose eingebaut wird. Bei
diesem Projekt haben wir es jedoch mit
einem ganz anderen Kaliber zu tun: Die
Handvoll Standardbauteile ist einem
Mikrocontroller mit einem ausgesuch-
ten Programm und einer PC-Software
gewichen. Das Resultat ist ein Dimmer

für 8...32 Lasten beziehungsweise Last-
gruppen, der mit einer Windows-Soft-
ware vom PC aus gesteuert werden
kann. Dabei ist die Schaltung so lei-
stungsfähig, daß sie ohne weiteres für
eine Bühne oder ein kleines Theater ein-
gesetzt werden kann. Daneben kann der
PC-Dimmer auch gebraucht werden zur
Beleuchtung von Volieren, Aquarien,
zum automatischen Ein- und Ausschal-

Dimmer und andere

Lampensteuerungen

sind seit jeher ein wich-
tiges Thema für Elektor.

Meistens handelt es

sich dabei um Bauvor-

schläge mit einigen

wenigen Standardkom-

ponenten. Diesmal aller-

dings stellen wir einen

äußerst leistungsfähigen

Dimmer vor, der über

eine PC-Schnittstelle bis

zu 32 ohmsche oder

induktive Lasten unab-

hängig von einander

steuern kann.

16

Windows-Software

von G. Janssen

PC-gesteuerter

32-Kanal -Dimmer

Luxus-Regler für ohmsche

und induktive Lasten

COMPUTER & PERIPHERIE

ten von Lampen in Wohnhäusern (eine
sogenannte Einbrecherscheuche).
Da die Schaltung mit induktiven
Lasten genau so gut umgehen kann
wie mit ohmschen, ist der Anschluß
von Halogenlampen, Motoren oder
Transformatoren überhaupt kein Pro-
blem. Der Dimmer ist in Module auf-

geteilt, von denen jedes acht Kanäle
steuert. Durch den modularen Aufbau
kann die Schaltung dem spezifischen
Einsatz angepaßt werden. Insgesamt
lassen sich vier Module an einen PC
anschließen, also insgesamt 32 Lasten
beziehungsweise Gruppen von Lasten
unabhängig voneinander regeln.

A

U S G A N G S P U N K T E

Am Anfang der Entwicklung einer
elektronischen Schaltung steht die
Festlegung der Eigenschaften, die das
Gerät aufweisen soll. Wichtig war
dabei ein “offener” Ansatz, der nicht
von einer fertigen und unveränderba-
ren Software ausgeht, sondern jedem
Programmierer auf Grundlage der
Informationen in diesem Artikel und
eines gewissen Softwareangebots
erlaubt, ein speziell auf die spezifi-
schen Erfordernisse zugeschnittenes
Programm zu entwickeln. Gleichfalls
wird denjenigen, die sich nicht so gut
oder gar nicht mit Software-Entwick-
lung auskennen, eine Software für ein
elektronisches “Mischpult” für 32
(Licht-) Kanäle zur Verfügung gestellt,
die unter Windows 95 läuft.
Die Kommunikation zwischen PC und
Dimmer verläuft über die RS232-
Schnittstelle und nutzt ein deutliches
und kompaktes Protokoll, auf das es
noch einzugehen gilt. Mit den Befeh-
len, die der PC zum Dimmer schickt,

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Elektor

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S202S11

IC4

CNY65

IC3

2

3

4

1

1A25 T

F1

K3

K4

(MISO)PB6

(MOSI)PB5

(AIN1)PB1

(AIN0)PB0

PD2(INT0)

PD3(INT1)

(SCK)PB7

(OCI)PB3

PD0(RxD)

PD1(TxD)

PD6(ICP)

PD4(T0)

PD5(T1)

XTAL1

XTAL2

RESET

S2313

AT90

IC1

PB4

PB2

20

10

19

18

17

16

15

14

13

12

11

5

4

1

2

3

6

7

8

9

R8

390

Ω

R9

390

Ω

R10

390

Ω

R7

390

Ω

R11

390

Ω

R12

390

Ω

R13

390

Ω

R14

390

Ω

K2

ISP

S1

X1

8MHz

C1

22p

C2

22p

S202S11

IC5

1A25 T

F2

K5

S202S11

IC6

1A25 T

F3

K6

S202S11

IC7

1A25 T

F4

K7

S202S11

IC8

1A25 T

F5

K8

S202S11

IC9

1A25 T

F6

K9

S202S11

IC10

1A25 T

F7

K10

S202S11

IC11

1A25 T

F8

K11

C6

100n

C3

100n

C4

10

µ

10V

C5

10n

R6

10k

R5

1k

R4

10k

R1

10k

R17

56k

1W

R16

1M

R15

10k

R3

100k

R2

100k

T1

BC547B

T2

BC547B

D1

D2

1N4001

L1

10A

C7

470n

X2

9V

TR1

1VA5

B1

B80C1500

C8

470

µ

25V

C9

100n

C10

100n

7805

IC2

TxD

RS232

CH8

CH7

CH6

CH5

CH4

CH3

CH2

CH1

980076 - 11

5V

5V

5V

5V

5V

5V

5V

O N D I P

1

2

3

4

S1

K1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

Bild 1. Der 32-Kanal-Dimmer
besteht aus maximal vier
Modulen.

Technische Daten

æ Dimmen von acht unabhängigen Kanälen pro Modul

æ Maximal vier Module an einer seriellen Schnittstelle

æ Geeignet für ohmsche und induktive Lasten

æ Schaltet netzsynchron

æ Pro Kanal 275 W Belastung möglich

æ Einfaches Protokoll

æ Vier voreingestellte Regelkurven

æ Einfach zu programmieren

æ Batch-Verarbeitung möglich

æ Mit Windows-95-Software für 32 Kanäle

æ Software komplett mit Quellkodes

wird immer ein Endwert einer Einstel-
lung angegeben sowie die Zeit, in der
die Änderung vollzogen werden soll
(Fade-Zeit). Daß der Dimmvorgang
netzsynchron abläuft, versteht sich bei
einer solchen Schaltung von selbst. Der
Controller auf der Dimmerplatine spei-
chert den eingestellten maximalen
Wert, die Fade-Zeit und den aktuellen
Wert jedes einzelnen Kanals. Der PC
schickt einen neuen Satz von Parame-
tern nur dann zum Dimmer, wenn
Änderungen anliegen. So passieren
relativ wenige Informationen die seri-
elle Leitung zwischen PC und Dimmer.

R

E A L I S A T I O N

Die Schaltung des Dim-
mers in Bild 1 verrät
recht wenig von der
Funktionsweise der
Schaltung. Zentrale des Dimmers ist
natürlich der Mikrocontroller, ein
AT90S2313 von Atmel. Der Controller
ist direkt mit der TxD-Leitung des PCs
verbunden und steuert über die
Anschlüsse PB0...PB7 acht Optotriacs
(IC4...IC11) vom Typ S202S11. Die
Optotriacs verbinden eine Leitung der
Netzwechselspannung mit der jewei-
ligen Ausgangsklemme, wenn die ent-

sprechende Portleitung des Controllers
die interne LED über einen Reihen-
widerstand von 390 Ω auf Massepo-
tential legt. An der Netzspannungs-
seite ist jeder Optotriac durch eine
träge Glassicherung von 1,25 A
geschützt. Dies bedeutet, daß Lasten
von maximal 275 W geregelt werden
können. Da die Optotriacs integrierte
Snubber-Netzwerke besitzen, ist es

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Elektor

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(C) ELEKTOR

980076-1

B1

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9

C10

D1

D2

F1

F2

F3

F4

F5

F6

F7

F8

H1

H2

H3

H4

IC1

IC2

IC3

IC4

IC5

IC6

IC7

IC8

IC9

IC10

IC11

K2

K3

K4

K5

K6

K7

K8

K9

K10

K11

L1

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

R10

R11

R12

R13

R14

R15

R16

R17

S1

T1

T2

TR1

X1

1.25AT

1.25AT

1.25AT

1.25AT

1.25AT

1.25AT

1.25AT

1.25AT

~

CH2

CH3

CH4

CH5

CH6

CH7

CH8

CH1

~

T

TXD

980076-1

(C) ELEKTOR

980076-1

2

Bild 2. Das Platinenlayout für ein acht-
kanaliges Modul entspricht den Sicher-
heitsvorschriften beim Umgang mit
Netzspannung.

auch leicht möglich, induktive Lasten
zu dimmen.
Neben den Optotriacs ist auch ein
gewöhnlicher Optokoppler in der
Schaltung zu finden. Er wird zur
Detektion des Nulldurchgangs einge-
setzt, damit der Controller synchroni-
siert werden kann. Der Detektor ist
direkt mit der Netzspannung ver-
bunden, da hinter dem Trafo Phasen-
verschiebungen auftreten, die Meß-
fehler verursachen. Der Synchronisa-
tionsimpuls wird von Transistor T2
gepuffert und an den Eingang PD3
(INT1) gelegt. Um die korrekte
Arbeitsweise zu garantieren, ist eine
frequenzstabile Netzspannung not-
wendig. Der Betrieb des Dimmers
beispielsweise an einer Notstromver-
sorgung ist nicht möglich.

S

E L B S T

P

R O G R A M M I E R E N

Da der Controller im Prinzip in der
Schaltung programmierbar ist (in cir-
cuit programmable), findet sich auch
ein spezielles ISP-Interface (K2), das die
Controlleranschlüsse RESET, SCK,
GND, MISO, MOSI und VCC nach
außen führt. Im Elektor-Service ist des-
halb neben einem fertig programmier-
ten Controller auch eine Diskette mit
dem Quellkode des Controllerpro-
gramms erhältlich. Wie und mit wel-
chen Mitteln man einen Atmel-Con-
troller programmiert, wird in den Arti-
keln zum Heinzelmännchen (Elektor
12/97) ausführlich beschrieben.
Einige Anschlüsse des Controllers sind
über DIP-Schalter mit Masse verbun-
den. Hier lassen sich einige Optionen
einstellen, über die im Kasten Optiona-
les noch zu sprechen sein wird. Das
serielle Interface ist besonders einfach
aufgebaut. Eine einfache Transistor-
stufe mit einigen Widerständen setzt
den (unter Umständen) symmetri-
schen RS232-Pegel in TTL um und
macht damit den sonst üblichen Pegel-
wandler MAX232 überflüssig. Wenn
man ein eigenes Programm schreibt,
kann es nötig sein, auch noch andere
als die TxD-Leitung der RS232-Verbin-
dung zum Controller zu führen.
Über den Rest der Schaltung läßt sich
relativ wenig berichten. Die Span-
nungsversorgung ist klassisch mit
einem 5-V-Festspannungsregler aufge-
baut, der Oszillator mit C1, C2 und X1
liefert einen Takt von 8 MHz. Das
Modul besitzt acht Ausgangskanäle,
die verfügbare Windows-95-Software
kann gleichzeitig vier dieser Module
steuern.

B

A U H E R R E N M O D E L L

Da die Schaltung mit der Netzspan-
nung arbeitet, ist ein den Sicherheits-
vorschriften genügendes Platinenlay-
out wie in Bild 2 unabdingbar. Dank
der Leistungsfähigkeit der Soft- und
Hardware (man stelle sich nur einmal
einen diskreten Aufbau von Triacs mit
Snubber-Netzwerken und galvani-
scher Trennung vor) ist die Platine sehr
kompakt.
Der Aufbau ist nicht besonders kom-
pliziert, wenn man für den Controller
eine Fassung verwendet und nur die
vorgeschriebenen Bauteile verwendet.
Insbesondere gilt dies für das Entstör-
netzwerk mit dem X2-Kondensator C7
und der Entstörspule L1, einem Sie-
mens-Fertigprodukt, die aus zwei par-
allelen und an den Enden getwisteten
Windungen um den Ringkern besteht.
Die “getwisteten” Enden werden aus-
einandergedreht und auf eine Länge
von ungefähr 10 mm gekürzt. Dann
kratzt man mit einem Messerchen den
Lack von den Drahtenden, verzinnt
sie, steckt sie durch die Platinenboh-
rungen und knickt sie um. Es ist wich-
tig, daß die Drahtenden nicht punkt-
förmig, sondern über eine gewisse
Länge auf der Platine verlötet werden,
um eine optimale elektrische Verbin-
dung zu garantieren. Bei Strömen bis
zu 10 A durch die Spule sollte dies ver-
ständlich sein. Bild 3 schließlich zeigt
das Resultat der Bemühungen.
Wer einen fix und fertig programmier-
ten Controller verwendet, kann jetzt

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Elektor

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Stückliste

Widerstände:
R1,R4,R6,R15 = 10 k
R2,R3 = 100 k
R5 = 1 k
R7...R14 = 390

Ω

R16 = 1 M
R17 = 56 k/1 W, 400 V

Kondensatoren:
C1,C22 = 22 p keramisch
C3,C6,C9,C10 = 100 n keramisch
C4 = 10

µ/10 V stehend

CD5 = 10 n keramisch
C7 = 470 n/250 V~, Klasse X2
C8 = 470

µ/25 V stehend

Spule:
L1 = 10-A-Entstörspule (Siemens

T60405M6108X2)

Halbleiter:
B1 = B80CD1500, rechteckiges

Modell

D1 = LED rot, high eff.
D2 = 1N4001
T1,T2 = BC547B
IC1 = AT90S2313 (EPS 986524-1)
IC2 = 7805
IC3 = CNY65
IC4...IC11 = S202S11 (Sharp)

Außerdem:
X1 = Quarz 8 MHz
S1 = 4facher DIP-Schalter
K1 = 9poliger Sub-D-Verbinder,

female

K” = 1

⋅6poliger Pfostenverbinder

K3...K11 = 2polige Platinenan-

schlußklemme, RM7,5

Tr1 = Netztrafo 9V/1VA5 (Block

W1109)

F1...F8 = Platinensicherungshalter

mit Sicherung 1,25 A träge

Gehäuse Bopla EG2050L
Platine: EPS 980076-1
Diskette mit Windows-Software und

Quellkode: EPS 986025-1

Diskette mit Controller-Quellcode:

EPS 986033-1

Programmierter Controller EPS

986524-1

Bild 3. Der aufge-
baute Prototyp eines
Dimmer-Moduls.

schon loslegen.
Der AT90S2313
wird in die Fas-
sung gesteckt und (nach einer gründ-
lichen Sichtkontrolle der Lötarbeiten)
die Platine berührsicher in einem
Kunststoffgehäuse untergebracht. Da
Sie es immerhin mit Netzspannung zu
tun haben, sollten Sie der Sicherheits-
seite in diesem Heft Aufmerksamkeit

schenken. Ziehen
Sie immer zuerst
den Netzstecker,

bevor Sie an der Schaltung arbeiten
wollen.
Nachdem die Windows-Software (nur
95/98) installiert und die Dimmer-
Schaltung über ein RS232-Kabel Kon-
takt mit dem PC aufgenommen hat, ist
die Schaltung betriebsbereit. Das Pro-

gramm läßt sich intuitiv bedienen,
wie der Screendump in Bild 4
beweist. Die Software kann man
modifizieren, da sie nicht nur
kompiliert, sondern auch im
Quellkode (Delphi-Format) ange-
liefert wird.

H

E I N Z E L M Ä N N C H E N

I M

E

I N S A T Z

Auch der Mikrocontroller läßt sich
in Eigenregie programmieren.
Dazu ist eine weitere Diskette mit
der Controller-Software (Quell-
kode und ROM-Datei) erhältlich.
Zur Programmierung benutzt
man das Programmieradapter für
Heinzelmännchen (Elektor 12/97),
zwischen dessen 10poligen Pfo-
stenverbinder und dem 6poligen
ISP-Anschluß auf der Dimmerpla-
tine man ein Kabel anbringt. Beim
Start des dazugehörenden Pro-

gramms wird der Aufrufkode /8515
hinzugefügt, so daß das Heinzelmänn-
chen dem AT90S2313 einen doppelt so
großen Speicherbereich reserviert, als
dies bei der Einstellung für einen
1200er-Controller der Fall wäre. Der
8515-Controller besitzt (zur Zeit) den
größten Speicher der ganzen AVR-
Familie.

(980076)rg

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Elektor

12/98

Interessantester Aspekt der Schaltung ist zweifellos die
Software. Leider ist der diesem Artikel zur Verfügung ste-
hende Raum so beschränkt, daß wir nicht auf alle Details
eingehen können.
Das Programm besteht hauptsächlich aus zwei Interrupt-
Routinen. Die Routine SYNC synchronisiert den Phasen-
modulator mit dem Nulldurchgang der Netzspannung. Der
Phasenmodulator-Zähler läuft von 0 bis 249, ein Peri-
odenhälften-Zähler kennt die Zustände 0 und 0xff. Der
erste Zähler überstreicht eine Periodenhälfte, der zweite
gibt an, welcher Periodenteil gerade aktuell ist. Die Timer-
Interruptroutine erhöht bei jedem Aufruf den Zähler des
Phasenmodulators. Nach jedem Abschluß eines Zählzy-
klus wird der Periodenhälften-Zähler invertiert.
Die Synchronisations-Interruptroutine kontrolliert, ob der
Zähler des Phasenmodulators synchron in der Phase der
Netzspannung gleichläuft. Tritt eine Phasenverschiebung
auf, erhöht oder verringert (je nach Lage der Dinge) die
Synchronisationsroutine den Zähler um eine Einheit, so
daß die Phasenverschiebung in einer kurzen Zeitspanne
abgebaut wird.
Im RAM ist für jeden Kanal Platz für alle relevanten Infor-
mationen reserviert, und zwar

3 Bytes für die Fade-Zeit
3 Bytes für den Fade-Zähler
1 Byte für den Endwert

1 Byte für die Stufengröße und
1 Byte für den Phasenmodulator.

Außerdem sind fünf Bytes vorgesehen, um einen kom-
pletten RS232-Rahmen speichern zu können.
Die Fade-Zeit wird in Einheiten von 10 ms ausgedrückt.
Der Endwert läuft von 0 bis 127 und wird von der Software
verdoppelt. Im Programmspeicher sind vier Tabellen mit
jeweils 256 Referenzwerten zu finden. Diese Werte sind so
zusammengestellt, daß sie ein spezifisches Regelverhal-
ten zur Folge haben.
Über die RS232-Schnittstelle werden neue Daten an der
entsprechenden Stelle des Speicher abgelegt. Der
momentane Inhalt des Phasenmodulators wird erhöht
beziehungsweise verringert, bis der Endwert erreicht ist.
Die Geschwindigkeit, mit der dies passiert, wird von der
eingestellten Fade-Zeit vorgegeben. Der Fade-Wert wird
im Fade-Zähler gesetzt und danach alle 10 ms der Zähler-
inhalt verringert/erhöht, bis er gleich Eins ist. Anschließend
wird die Einstellung des Phasenmodulators in einem
Zyklus gleichzeitig angepaßt und der Fade-Wert von
neuem in den Zähler gesetzt. Der Vorgang wiederholt sich,
bis der Endwert erreicht ist.
Ist die Fade-Einstellung gleich Null, wird die Einstellung
des Phasenmodulators direkt mit dem Endwert begli-
chen. All diese Routinen werden durch einen Timer-Inter-
rupt initiiert.

Aufbau der Software

Bild 4. Mit der Windows-Soft-
ware können maximal 32
(Licht-) Kanäle komfortabel
gesteuert werden.

4

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Elektor

12/98

Optionales

Mit den Schaltern S1-1 und S1-2 wird die Kurve festgelegt, nach der der Controller den Zündwinkel bestimmt. Es sind vier
Kurven vorgegeben, so daß für jede Anwendung eine ideale Einstellung gefunden werden sollte.

S1-1

S1-2

an

an

Kurve 1

an

aus

Kurve 2

aus

an

Kurve 3

aus

aus

Kurve 4

Kurve 1: Ansteuerung proportional zur

gemittelten Spannung

Kurve 2: Ansteuerung proportional zur

Leistung

Kurve 3: Leicht logarithmische Ansteue-

rung proportional zur Leistung (

β =

5).

Kurve 4: Logarithmische Ansteuerung

proportional zur Leistung (

β = 25).

Die Kurven sind in Bild A zu sehen. Auf der
vertikalen Achse ist der relative Wert, auf
der horizontalen Achse der Zündwinkel
angegeben. Für die meisten Anwender
dürften die Aussteuerungskurven in Bild B
informativer sein. Hier ist die Stellung des
“Bildschirm-Schiebereglers” gegen die
Aussteuerung eingetragen. Die beiden
linearen Kurven für die abgegebene Lei-
stung und abgegebene Spannung sind
identisch, darunter sind die beiden expo-
nentiellen zu sehen.

Die Schalter S1-3 und S1-4 stellen die
Adresse des Moduls ein:

S1-3

S1-4

Adresse

an

an

Kanal 1...8

aus

an

Kanal 9...16

an

aus

Kanal 17...24

aus

aus

Kanal 25...32

Die Schaltung verwendet ein Protokoll, das eine einfache
Ansteuerung erlaubt. Das Datenformat über die serielle
Schnittstelle lautet

9600 Baud
1 Startbit
1 Stoppbit
Keine Parität

Ein Frame umfaßt fünf Bytes, die wie folgt aufgebaut sind:

Byte 1
1

A4

A3

A2

A1

A0

S1

S0

Byte 2
0

T20

T19

T18

T17

T16

T15

T14

Byte 3
0

T13

T12

T11

T10

T9

T8

T7

Byte 4
0

T6

T5

T4

T3

T2

T1

T0

Byte 5
0

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

Dabei sind:
A:

Kanaladresse

S:

Schrittgröße

T

Zeit pro Schritt

D

Endwert

Bit b7 ist beim ersten Byte Eins, um den Frame-Beginn zu
markieren, bei allen anderen Bytes ist b7 = 0.
Tritt beim Empfang innerhalb eines Frames ein Fehler auf,
so wird das gesamte Frame gelöscht und auf den Beginn
eines neuen Frames gewartet (b7 = 1).
Bei einer Auflösung mit Schrittgröße gleich Eins ist eine
Regelzeit von 255

⋅ 10 ms = 2,55 s nötig. Wird eine kür-

zere Fadezeit eingestellt, so entsteht ein Fehler von maxi-
mal 1,27 s. Die PC-Software korrigiert aus diesem Grund
bei Fade-Zeiten kleiner als 2,55 Sekunden (auf 2, 3 oder
4). Dadurch wird der Fehler immer kleiner als 15 %.

Protokollarisches

A

B