COMPUTER & PERIPHERIE
PC-gesteuerter
32-Kanal -Dimmer
Luxus-Regler für ohmsche
und induktive Lasten
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.
Bei dem Begriff Dimmer dürften die mei- für 8...32 Lasten beziehungsweise Last-
sten Menschen an den bekannten Dreh- gruppen, der mit einer Windows-Soft-
knopf denken, der statt des Lichtschal- ware vom PC aus gesteuert werden
ters in die UP-Dose eingebaut wird. Bei kann. Dabei ist die Schaltung so lei-
diesem Projekt haben wir es jedoch mit stungsfähig, daß sie ohne weiteres für
einem ganz anderen Kaliber zu tun: Die eine Bühne oder ein kleines Theater ein-
Handvoll Standardbauteile ist einem gesetzt werden kann. Daneben kann der
Mikrocontroller mit einem ausgesuch- PC-Dimmer auch gebraucht werden zur
Windows-Software ten Programm und einer PC-Software Beleuchtung von Volieren, Aquarien,
von G. Janssen gewichen. Das Resultat ist ein Dimmer zum automatischen Ein- und Ausschal-
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L1
10A
R17
1
5V
K3 K4
1W
C7
IC3
2 3
5V
X2 CH8
F1
D2
470n IC4
1A25 T
1N4001
1 4
CNY65
TR1
K5
IC2
5V
S202S11
5V CH7
7805 F2
B1 IC5
R15
1A25 T
C8
C9 C10
K6
T2
9V 470µ 100n 100n
B80C1500 25V
1VA5
S202S11
CH6
F3
R16
IC6
BC547B 1A25 T
5V
K2 ISP K7
R6
5V S202S11
CH5
F4
IC7
1A25 T
C4
5V C5 C3 C6
K1
10n 100n 10µ 10V 100n
K8
1 R4
20
6
2 S202S11
CH4
F5
7 1 19 R7
RESET (SCK)PB7 390&!
R2 R3 IC1 IC8
TxD
3 2 18 R8
1A25 T
100k 100k PD0(RxD) (MISO)PB6 390&!
8 3 17 R9
PD1(TxD) (MOSI)PB5
390&!
4 6 16 R10
R5 PD2(INT0) PB4 390&!
AT90
K9
9 7 15 R11
PD3(INT1) S2313 (OCI)PB3
390&!
5 R1 T1 8 14 R12
PD4(T0) PB2 390&!
S202S11
9 13 R13
PD5(T1) (AIN1)PB1 390&! F6
CH3
D1
11 12 R14
PD6(ICP) (AIN0)PB0
390&! IC9
RS232
BC547B 1A25 T
XTAL1 XTAL2
5 4 10
X1
K10
S1
8MHz S202S11
C1 C2
CH2
F7
IC10
22p 22p
1A25 T
O N D I P
S1
K11
1 2 3 4
S202S11
CH1
F8
IC11
1A25 T
Bild 1. Der 32-Kanal-Dimmer
besteht aus maximal vier
S202S11 980076 - 11
Modulen.
A USGANGSPUNKTE
ten von Lampen in Wohnhäusern (eine geteilt, von denen jedes acht Kanäle
sogenannte Einbrecherscheuche). steuert. Durch den modularen Aufbau Am Anfang der Entwicklung einer
Da die Schaltung mit induktiven kann die Schaltung dem spezifischen elektronischen Schaltung steht die
Lasten genau so gut umgehen kann Einsatz angepaßt werden. Insgesamt Festlegung der Eigenschaften, die das
wie mit ohmschen, ist der Anschluß lassen sich vier Module an einen PC Gerät aufweisen soll. Wichtig war
von Halogenlampen, Motoren oder anschließen, also insgesamt 32 Lasten dabei ein  offener Ansatz, der nicht
Transformatoren überhaupt kein Pro- beziehungsweise Gruppen von Lasten von einer fertigen und unveränderba-
blem. Der Dimmer ist in Module auf- unabhängig voneinander regeln. ren Software ausgeht, sondern jedem
Programmierer auf Grundlage der
Informationen in diesem Artikel und
eines gewissen Softwareangebots
erlaubt, ein speziell auf die spezifi-
Technische Daten
schen Erfordernisse zugeschnittenes
Programm zu entwickeln. Gleichfalls
Dimmen von acht unabhängigen Kanälen pro Modul
wird denjenigen, die sich nicht so gut
Maximal vier Module an einer seriellen Schnittstelle
oder gar nicht mit Software-Entwick-
Geeignet für ohmsche und induktive Lasten
lung auskennen, eine Software für ein
Schaltet netzsynchron
elektronisches  Mischpult für 32
Pro Kanal 275 W Belastung möglich
(Licht-) Kanäle zur Verfügung gestellt,
Einfaches Protokoll
die unter Windows 95 läuft.
Vier voreingestellte Regelkurven
Die Kommunikation zwischen PC und
Einfach zu programmieren
Dimmer verläuft über die RS232-
Batch-Verarbeitung möglich
Schnittstelle und nutzt ein deutliches
Mit Windows-95-Software für 32 Kanäle
und kompaktes Protokoll, auf das es
Software komplett mit Quellkodes noch einzugehen gilt. Mit den Befeh-
len, die der PC zum Dimmer schickt,
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56k
10k
1M
10k
10k
1k
10k
CH8 CH7 CH6 CH5 CH4 CH3 CH2 CH1
H2
2
K8
K4 K5 K6 K7 K9 K10 K11
F1 F2 F3
F4 F5 F6 F7 F8
980076-1
1.25AT 1.25AT 1.25AT
1.25AT 1.25AT 1.25AT 1.25AT 1.25AT
IC4 IC5 IC6 IC7 IC8 IC9 IC10 IC11
K2
C6
C9
C5
C4
T2 R16
IC3
B1
C3
R17 IC1
L1 C8
X1
TR1 S1
C2
TXD
C7
C1
R1
R4 R3
K3
C10
H4
R2
IC2
T1
D1
Bild 2. Das Platinenlayout für ein acht-
wird immer ein Endwert einer Einstel- R EALI SATI ON
kanaliges Modul entspricht den Sicher-
lung angegeben sowie die Zeit, in der Die Schaltung des Dim- heitsvorschriften beim Umgang mit
die Änderung vollzogen werden soll mers in Bild 1 verrät Netzspannung.
(Fade-Zeit). Daß der Dimmvorgang recht wenig von der
netzsynchron abläuft, versteht sich bei Funktionsweise der
einer solchen Schaltung von selbst. Der Schaltung. Zentrale des Dimmers ist sprechende Portleitung des Controllers
Controller auf der Dimmerplatine spei- natürlich der Mikrocontroller, ein die interne LED über einen Reihen-
chert den eingestellten maximalen AT90S2313 von Atmel. Der Controller widerstand von 390 &! auf Massepo-
Wert, die Fade-Zeit und den aktuellen ist direkt mit der TxD-Leitung des PCs tential legt. An der Netzspannungs-
Wert jedes einzelnen Kanals. Der PC verbunden und steuert über die seite ist jeder Optotriac durch eine
schickt einen neuen Satz von Parame- Anschlüsse PB0...PB7 acht Optotriacs träge Glassicherung von 1,25 A
tern nur dann zum Dimmer, wenn (IC4...IC11) vom Typ S202S11. Die geschützt. Dies bedeutet, daß Lasten
Änderungen anliegen. So passieren Optotriacs verbinden eine Leitung der von maximal 275 W geregelt werden
relativ wenige Informationen die seri- Netzwechselspannung mit der jewei- können. Da die Optotriacs integrierte
elle Leitung zwischen PC und Dimmer. ligen Ausgangsklemme, wenn die ent- Snubber-Netzwerke besitzen, ist es
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H1
R7
R8
R9
R15
R10
R11
R12
R13
R14
D2
R6
R5
H3
T
~
~
980076-1
(C) ELEKTOR
(C) ELEKTOR
980076-1
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Stückliste
Widerstände:
R1,R4,R6,R15 = 10 k
R2,R3 = 100 k
R5 = 1 k
R7...R14 = 390 &!
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
Bild 3. Der aufge-
IC4...IC11 = S202S11 (Sharp)
baute Prototyp eines
S ELBST
Dimmer-Moduls.
Außerdem:
P ROGRAMMI EREN
X1 = Quarz 8 MHz
Da der Controller im Prinzip in der
S1 = 4facher DIP-Schalter
Schaltung programmierbar ist (in cir-
K1 = 9poliger Sub-D-Verbinder,
cuit programmable), findet sich auch
female
B AUHERRENMODELL
ein spezielles ISP-Interface (K2), das die
K = 1Å"6poliger Pfostenverbinder
Controlleranschlüsse RESET, SCK, Da die Schaltung mit der Netzspan-
K3...K11 = 2polige Platinenan-
schlußklemme, RM7,5 GND, MISO, MOSI und VCC nach nung arbeitet, ist ein den Sicherheits-
Tr1 = Netztrafo 9V/1VA5 (Block
außen führt. Im Elektor-Service ist des- vorschriften genügendes Platinenlay-
W1109)
halb neben einem fertig programmier- out wie in Bild 2 unabdingbar. Dank
F1...F8 = Platinensicherungshalter
ten Controller auch eine Diskette mit der Leistungsfähigkeit der Soft- und
mit Sicherung 1,25 A träge
dem Quellkode des Controllerpro- Hardware (man stelle sich nur einmal
Gehäuse Bopla EG2050L
gramms erhältlich. Wie und mit wel- einen diskreten Aufbau von Triacs mit
Platine: EPS 980076-1
chen Mitteln man einen Atmel-Con- Snubber-Netzwerken und galvani-
Diskette mit Windows-Software und
troller programmiert, wird in den Arti- scher Trennung vor) ist die Platine sehr
Quellkode: EPS 986025-1
Diskette mit Controller-Quellcode: keln zum Heinzelmännchen (Elektor kompakt.
EPS 986033-1
12/97) ausführlich beschrieben. Der Aufbau ist nicht besonders kom-
Programmierter Controller EPS
Einige Anschlüsse des Controllers sind pliziert, wenn man für den Controller
986524-1
über DIP-Schalter mit Masse verbun- eine Fassung verwendet und nur die
den. Hier lassen sich einige Optionen vorgeschriebenen Bauteile verwendet.
einstellen, über die im Kasten Optiona- Insbesondere gilt dies für das Entstör-
les noch zu sprechen sein wird. Das netzwerk mit dem X2-Kondensator C7
serielle Interface ist besonders einfach und der Entstörspule L1, einem Sie-
auch leicht möglich, induktive Lasten aufgebaut. Eine einfache Transistor- mens-Fertigprodukt, die aus zwei par-
zu dimmen. stufe mit einigen Widerständen setzt allelen und an den Enden getwisteten
Neben den Optotriacs ist auch ein den (unter Umständen) symmetri- Windungen um den Ringkern besteht.
gewöhnlicher Optokoppler in der schen RS232-Pegel in TTL um und Die  getwisteten Enden werden aus-
Schaltung zu finden. Er wird zur macht damit den sonst üblichen Pegel- einandergedreht und auf eine Länge
Detektion des Nulldurchgangs einge- wandler MAX232 überflüssig. Wenn von ungefähr 10 mm gekürzt. Dann
setzt, damit der Controller synchroni- man ein eigenes Programm schreibt, kratzt man mit einem Messerchen den
siert werden kann. Der Detektor ist kann es nötig sein, auch noch andere Lack von den Drahtenden, verzinnt
direkt mit der Netzspannung ver- als die TxD-Leitung der RS232-Verbin- sie, steckt sie durch die Platinenboh-
bunden, da hinter dem Trafo Phasen- dung zum Controller zu führen. rungen und knickt sie um. Es ist wich-
verschiebungen auftreten, die Meß- Über den Rest der Schaltung läßt sich tig, daß die Drahtenden nicht punkt-
fehler verursachen. Der Synchronisa- relativ wenig berichten. Die Span- förmig, sondern über eine gewisse
tionsimpuls wird von Transistor T2 nungsversorgung ist klassisch mit Länge auf der Platine verlötet werden,
gepuffert und an den Eingang PD3 einem 5-V-Festspannungsregler aufge- um eine optimale elektrische Verbin-
(INT1) gelegt. Um die korrekte baut, der Oszillator mit C1, C2 und X1 dung zu garantieren. Bei Strömen bis
Arbeitsweise zu garantieren, ist eine liefert einen Takt von 8 MHz. Das zu 10 A durch die Spule sollte dies ver-
frequenzstabile Netzspannung not- Modul besitzt acht Ausgangskanäle, ständlich sein. Bild 3 schließlich zeigt
wendig. Der Betrieb des Dimmers die verfügbare Windows-95-Software das Resultat der Bemühungen.
beispielsweise an einer Notstromver- kann gleichzeitig vier dieser Module Wer einen fix und fertig programmier-
sorgung ist nicht möglich. steuern. ten Controller verwendet, kann jetzt
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gramm läßt sich intuitiv bedienen,
wie der Screendump in Bild 4
4
beweist. Die Software kann man
modifizieren, da sie nicht nur
kompiliert, sondern auch im
Quellkode (Delphi-Format) ange-
liefert wird.
H EI NZELMÄNNCHEN
I M E I NSATZ
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-
Bild 4. Mit der Windows-Soft-
gramms wird der Aufrufkode /8515
ware können maximal 32
hinzugefügt, so daß das Heinzelmänn-
(Licht-) Kanäle komfortabel
schon loslegen. gesteuert werden. schenken. Ziehen chen dem AT90S2313 einen doppelt so
Der AT90S2313 Sie immer zuerst großen Speicherbereich reserviert, als
wird in die Fas- den Netzstecker, dies bei der Einstellung für einen
sung gesteckt und (nach einer gründ- bevor Sie an der Schaltung arbeiten 1200er-Controller der Fall wäre. Der
lichen Sichtkontrolle der Lötarbeiten) wollen. 8515-Controller besitzt (zur Zeit) den
die Platine berührsicher in einem Nachdem die Windows-Software (nur größten Speicher der ganzen AVR-
Kunststoffgehäuse untergebracht. Da 95/98) installiert und die Dimmer- Familie.
Sie es immerhin mit Netzspannung zu Schaltung über ein RS232-Kabel Kon- (980076)rg
tun haben, sollten Sie der Sicherheits- takt mit dem PC aufgenommen hat, ist
seite in diesem Heft Aufmerksamkeit die Schaltung betriebsbereit. Das Pro-
Aufbau der Software
Interessantester Aspekt der Schaltung ist zweifellos die 1 Byte für die Stufengröße und
Software. Leider ist der diesem Artikel zur Verfügung ste- 1 Byte für den Phasenmodulator.
hende Raum so beschränkt, daß wir nicht auf alle Details
eingehen können. Außerdem sind fünf Bytes vorgesehen, um einen kom-
Das Programm besteht hauptsächlich aus zwei Interrupt- pletten RS232-Rahmen speichern zu können.
Routinen. Die Routine SYNC synchronisiert den Phasen- Die Fade-Zeit wird in Einheiten von 10 ms ausgedrückt.
modulator mit dem Nulldurchgang der Netzspannung. Der Der Endwert läuft von 0 bis 127 und wird von der Software
Phasenmodulator-Zähler läuft von 0 bis 249, ein Peri- verdoppelt. Im Programmspeicher sind vier Tabellen mit
odenhälften-Zähler kennt die Zustände 0 und 0xff. Der jeweils 256 Referenzwerten zu finden. Diese Werte sind so
erste Zähler überstreicht eine Periodenhälfte, der zweite zusammengestellt, daß sie ein spezifisches Regelverhal-
gibt an, welcher Periodenteil gerade aktuell ist. Die Timer- ten zur Folge haben.
Interruptroutine erhöht bei jedem Aufruf den Zähler des Über die RS232-Schnittstelle werden neue Daten an der
Phasenmodulators. Nach jedem Abschluß eines Zählzy- entsprechenden Stelle des Speicher abgelegt. Der
klus wird der Periodenhälften-Zähler invertiert. momentane Inhalt des Phasenmodulators wird erhöht
Die Synchronisations-Interruptroutine kontrolliert, ob der beziehungsweise verringert, bis der Endwert erreicht ist.
Zähler des Phasenmodulators synchron in der Phase der Die Geschwindigkeit, mit der dies passiert, wird von der
Netzspannung gleichläuft. Tritt eine Phasenverschiebung eingestellten Fade-Zeit vorgegeben. Der Fade-Wert wird
auf, erhöht oder verringert (je nach Lage der Dinge) die im Fade-Zähler gesetzt und danach alle 10 ms der Zähler-
Synchronisationsroutine den Zähler um eine Einheit, so inhalt verringert/erhöht, bis er gleich Eins ist. Anschließend
daß die Phasenverschiebung in einer kurzen Zeitspanne wird die Einstellung des Phasenmodulators in einem
abgebaut wird. Zyklus gleichzeitig angepaßt und der Fade-Wert von
Im RAM ist für jeden Kanal Platz für alle relevanten Infor- neuem in den Zähler gesetzt. Der Vorgang wiederholt sich,
mationen reserviert, und zwar bis der Endwert erreicht ist.
Ist die Fade-Einstellung gleich Null, wird die Einstellung
3 Bytes für die Fade-Zeit des Phasenmodulators direkt mit dem Endwert begli-
3 Bytes für den Fade-Zähler chen. All diese Routinen werden durch einen Timer-Inter-
1 Byte für den Endwert rupt initiiert.
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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
A
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 (² =
5).
Kurve 4: Logarithmische Ansteuerung
proportional zur Leistung (² = 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
B
 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
Protokollarisches
Die Schaltung verwendet ein Protokoll, das eine einfache
Ansteuerung erlaubt. Das Datenformat über die serielle Byte 5
Schnittstelle lautet 0 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
9600 Baud
Dabei sind:
1 Startbit
A: Kanaladresse
1 Stoppbit
S: Schrittgröße
Keine Parität
T Zeit pro Schritt
D Endwert
Ein Frame umfaßt fünf Bytes, die wie folgt aufgebaut sind:
Bit b7 ist beim ersten Byte Eins, um den Frame-Beginn zu
Byte 1
markieren, bei allen anderen Bytes ist b7 = 0.
1 A4 A3 A2 A1 A0 S1 S0
Tritt beim Empfang innerhalb eines Frames ein Fehler auf,
so wird das gesamte Frame gelöscht und auf den Beginn
Byte 2
eines neuen Frames gewartet (b7 = 1).
0 T20 T19 T18 T17 T16 T15 T14
Bei einer Auflösung mit Schrittgröße gleich Eins ist eine
Regelzeit von 255 Å" 10 ms = 2,55 s nötig. Wird eine kür-
Byte 3
0 T13 T12 T11 T10 T9 T8 T7 zere Fadezeit eingestellt, so entsteht ein Fehler von maxi-
mal 1,27 s. Die PC-Software korrigiert aus diesem Grund
Byte 4
bei Fade-Zeiten kleiner als 2,55 Sekunden (auf 2, 3 oder
0 T6 T5 T4 T3 T2 T1 T0
4). Dadurch wird der Fehler immer kleiner als 15 %.
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