Středoškolská odborná činnost 2006/2007 DIY

Středoškolská odborná činnost 2006/2007
Obor 10 – elektrotechnika, elektronika, telekomunikace a technická informatika
DIY projektor z LCD panelu
Autor:
Ondřej Kopáč
VOŠ a SPŠE, Koterovská 85,
326 00 Plzeň, 4. ročník
Zadavatel práce:
Mgr. Robert Pecko
VOŠ a SPŠE, Koterovská 85,
326 00 Plzeň
Konzultant práce:
Ing. Karel Hajžman
VOŠ a SPŠE, Koterovská 85,
326 00 Plzeň
Odborný posudek:
Ing. Antonín Horňák
VOŠ a SPŠE, Koterovská 85,
326 00 Plzeň
Plzeň, 2007
Plzeňský kraj
Prohlašuji tímto, že jsem soutěžní práci vypracoval samostatně pod vedením
Ing. Karla Hajžmana a uvedl v seznamu literatury veškerou použitou literaturu a další
informační zdroje včetně internetu.
V Plzni dne 20.3.2007
_________________________________
vlastnoruční podpis autora
ODBORNÝ POSUDEK
Název práce:
DIY projektor z LCD panelu
Autor.
Kopáč Ondřej
Práce je zpracována velmi pečlivě a to jak po stránce technické dokumentace, tak i po
stránce praktického vyhotovení přístroje. Projektor je plně provozuschopný a z hlediska
mechanických prací kvalitně navržen a vyroben. Velmi dobře je vyřešen mechanizmus zaostřování
objektivu.
Velkým kladem práce je řízení projektoru pomocí jednočipového mikropočítače ATMEL,
což zvyšuje komfort obsluhy projektoru.
Provedení elektronických obvodů je také precizní a plně funkční. Autor při realizaci přístroje
prokázal velmi dobré schopnosti řešení mechanické konstrukce přístroje, které je přesné a je
zajímavé i po stránce designu.
V Plzni dne 20.3.2007
____________________________
Ing. Antonín Horňák
Vedoucí odborných předmětů VOŠ a SPŠE Plzeň
ANOTACE
Předmětem této ročníkové práce je zhotovení plně funkčního video-data projektoru
s využitím běžně dostupného LCD panelu jako zdroje obrazové informace.
Pro zvýšení komfortu obsluhy projektoru byl vyvinut elektronický obvod, zajištující obsluhu
projektoru prostřednictvím tlačítek. Těmito tlačítky je ovládán krokový motor, umožňující díky
originálně zkonstruovanému mechanismu přesné zaostřování obrazu plynulým posuvem objektivu.
Dále se tento obvod stará o bezpečné dochlazení výbojky a jednoduché elektronické zapínání a
vypínání celého zařízení po skončení projekce.
Pro výrobu zařízení byly použity jako hlavní komponenty výbojka, reflektor, optické čočky,
LCD panel, odrazové zrcadlo, objektiv a řídící elektronické obvody. Tyto jednotlivé komponenty
jsou osazeny ve skříni celodřevěné konstrukce.
Zařízení může být prakticky využíváno v domácnosti k promítání filmů, fotografií a jiného
obrazového materiálu, který lze v normálním případě zobrazit na klasickém monitoru. Další
možností využití je velkoplošné promítání obrazových prezentací při různých školeních nebo
odborných či populárně naučných přednáškách, jichž se účastní větší počet osob.
Obsah
1
2
3
Úvod....................................................................................................................7
Obecný princip DIY projektoru.......................................................................8
Funkce a technické detaily komponent – obecný popis................................8
3.1 Výbojka a podpůrná elektronika.....................................................................................8
3.1.1 Výbojka............................................................................................................................. 8
3.1.2 Podpůrná elektronika................................................................................... .....................8
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
4
Sférický reflektor............................................................................................................9
Optický kondenzor..........................................................................................................9
IR filtrační sklo.............................................................................................................10
Fresnelovy čočky..........................................................................................................10
LCD panel.....................................................................................................................10
Odrazové optické zrcadlo.............................................................................................11
Objektiv........................................................................................................................12
Skříň projektoru............................................................................................................13
Technické parametry komponent a jejich osazení.......................................14
4.1 Výbojka a podpůrná elektronika...................................................................................14
4.1.1 Výbojka.......................................................................................................................... .14
4.1.2 Tlumivka................................................................................................................. ........15
4.1.3 Tyristorový zapalovač.................................................................................... .................15
4.2
4.3
4.4
4.5
Sférický reflektor..........................................................................................................16
Optický kondenzor........................................................................................................17
IR filtrační sklo.............................................................................................................18
Fresnelovy čočky..........................................................................................................18
4.5.1 Fresnelova čočka 1..................................................................................................... .....18
4.5.2 Fresnelova čočka 2..................................................................................................... .....18
4.6
4.7
4.8
4.9
5
LCD panel.....................................................................................................................19
Optické zrcadlo.............................................................................................................19
Objektiv........................................................................................................................20
Skříň projektoru............................................................................................................22
Obvodové zapojení projektoru.......................................................................23
5.1 Panel s ovládacími tlačítky...........................................................................................23
5.2 Spínací relé výbojky.....................................................................................................23
5.3 Ventilátory.....................................................................................................................23
5.4 Zadní panel pro připojení síťového a záložního napájení.............................................24
5.5 Podpůrná elektronika výbojky a spínaný zdroj.............................................................24
6
Řídící elektronický obvod...............................................................................25
6.1
6.2
6.3
Hlavní požadavky na řídící elektronický obvod...........................................................25
Koncepce řešení výroby řídícího elektronického obvodu ...........................................25
Popis schématu zapojení řídícího elektronického obvodu............................................26
6.3.1 Část zdroje napětí ....................................................................................................... ....26
6.3.2 Část řídící elektroniky a výstupních obvodů ............................................... ...................27
7
8
9
Popis ovládání projektoru..............................................................................28
Závěrečné hodnocení.......................................................................................29
Použitá literatura a informační zdroje..........................................................29
5
Seznam příloh:
Příloha 1
- Obvodové (základní) schéma
- Legenda k obvodovému základnímu schématu
Příloha 2
- Obvodové (základní) schéma bloku řídící elektroniky
Příloha 3
- Program pro obsluhu řídící elektroniky
Příloha 4
- Soupis použitých součástek bloku řídící elektroniky
- Soupis ostatních použitých součástek
Příloha 5
-
Příloha 6
- DIY projektor - původní provedení
Příloha 7
- DIY projektor - Nové provedení
- Celkové vnitřní uspořádání DIY projektoru
- Detaily vnitřního uspořádání DIY projektoru
Příloha 8
- Skříň DIY projektoru – výkres pohledů
Příloha 9
- Schématický řez DIY projektorem
Příloha 10
- Elektronická verze dokumentace DIY Projektoru
Matrice DPS – strana součástek
Vyleptaná DPS – strana součástek
Matrice DPS – spodní strana
Vyleptaná DPS – spodní strana
Rozvržení součástek na DPS
Rozvržení součástek na DPS - fotodokumentace
Seznam zkratek:
A/D
-
Analogově-digitální převod signálu
D/A
-
Digitálně-analogový převod signálu
DIY
-
Do It Yourself – „Udělej to sám“
DPS
-
Deska Plošných Spojů
DVD -
Digital Video (Versatile) Disc
DVI
-
Digital Video Interface – rozhraní pro digitální přenos videa
FFC
-
Flat Flex Cable – plochý ohebný kabel
FOV -
Field Of View – zorné pole
IR
Infrared – infračervený
-
LCD -
Liquid Crystal Display – displej z tekutých krystalů
PC
Personal Computer – osobní počítač
-
RGB -
Red-Green-Blue – základní barevné složky světelného spektra
VGA -
Video Graphics Array – standard pro počítačovou zobrazovací techniku
6
1
Úvod
Pro výrobu tohoto projektoru jako předmětu ročníkové práce jsem se rozhodl v době
loňských letních prázdnin. Na myšlenku zvolit si stavbu projekčního zařízení mě přivedlo zjištění,
že výrobek s podobným zaměřením se vředchozích tématech ročníkových prací studentů VOŠ a
SPŠE zatím neobjevil. Shodou okolností jsem v inzertní sekci internetového fóra
http://dvlachy.ic.cz/phpBB2 objevil inzerát, v němž inzerent nabízel k prodeji již funkční, jím
sestavený projektor.
O výrobě projektoru vlastní konstrukce jsem přemýšlel již delší dobu před tím, ale z důvodu
nedostatku potřebných financí na koupi jednotlivých komponent jsem svůj plán nemohl realizovat.
Díky objevení výše zmíněného inzerátu se naskytla šance za výhodnou cenu koupit projektor již
hotový. Odpadlo tím shánění jednotlivých komponent, z nichž je podstatnou většinu možné zakoupit
pouze v zahraničí. Obstarávání jednotlivých součástí ze zahraničí je však finančně, ale zejména
časově a organizačně náročná záležitost.
Z výše uvedených důvodů jsem se po zvážení celé situace rozhodl nabízený projektor
zakoupit i s vědomím rizika, že inzerované promítací zařízení nemusí plně vyhovovat mým
představám a požadavkům a že na takto pořízené zařízení nedostanu žádnou záruku funkčnosti. Po
obdržení zásilky se moje obavy skutečně potvrdily. Projektor byl sice jako celek funkční, ale jeho
úroveň zpracování mě neuspokojovala. Proto jsem se rozhodl, že s vynaložením dalších nemalých
finančních prostředků zakoupený projektor přebuduji, což v podstatě obnášelo fakt, že využiji
většinu komponent, které však osadím do úplně nové skříně, a navíc celé zařízení doplním řídící
elektronikou a dále použiji navíc oproti původní koncepci optické zrcadlo k tomu, aby skříň
projektoru byla při promítání ve svislé poloze. Toto řešení je dle mého názoru mnohem elegantnější.
Skříň projektoru zabere při projekci daleko méně prostoru a odpadají nároky na jeho umístění na
vhodný podstavec. Pro přebudování a doplnění původně zakoupeného projektoru bude nutné
navrhnout a zkonstruovat nové mechanizmy a řídící elektroniku a tím vznikne kvalitativně úplně
nové zařízení.
V následujícím textu je mnou vyrobené projekční zařízení označované zkratkou DIY. Tato
zkratka pochází z anglického označení DIY - Do It Yourself, ve volném překladu „udělej to sám“ a
používá se pro výrobky, které jsou vyrobeny většinou svépomocí a v domácích podmínkách.
7
2
Obecný princip DIY projektoru
DIY projektor pracuje na velmi podobném principu jako například všeobecně známý a
používaný diaprojektor k promítání diapozitivů zasazených do rámečku, nebo meotar k promítání
rozměrově větších průhledných fólií. Meotar oproti diaprojektoru však využívá navíc optické
zrcadlo k zalomení světelných paprsků promítaného obrazu o 90° (v tomto případě ke kolmému
zalomení paprsků světla z vertikální do horizontální roviny).
Mnou zkonstruovaný DIY projektor má blíže principu meotaru právě díky použití optického
zrcadla. Podstatnou odlišností je však využití LCD displeje jako zdroje obrazového materiálu. Při
použití tohoto zdroje může DIY projektor využívat širokých možností, které nabízí současná úroveň
multimediální výpočetní techniky.
3
Funkce a technické detaily komponent – obecný popis
Pro výrobu zařízení se zpravidla používají tyto hlavní komponenty:
●
●
●
●
●
●
●
●
●
výbojka a podpůrná elektronika
sférický reflektor
optický kondenzor
IR filtrační sklo
fresnelovy čočky
LCD panel
odrazové optické zrcadlo
objektiv
skříň projektoru
Výše uvedené komponenty je nutné podle optických zákonitostí a podle platných předpisů a
norem pro elektrická zařízení osadit do konstrukčně vyhovující skříně (šasi).
3.1
Výbojka a podpůrná elektronika
3.1.1
Výbojka
Výbojka je jako zdroj světla nepostradatelnou a velice důležitou součástí každého projektoru
a její výběr podstatně ovlivňuje výsledou kvalitu obrazu. V DIY projektorech se nejlépe osvědčily
metahalogenidové výbojky. Tyto výbojky jsou k dispozici u rozličných distributorů, jednotlivé typy
se vzájemně liší především hodnotami příkonu, světelností, barevnou teplotou a dalšími parametry.
3.1.2
Podpůrná elektronika
Jelikož při provozu hoří v baňce výbojky elektrický oblouk, je nutné ho proudově omezit.
K tomuto účelu slouží předřadná tlumivka, která díky své impedanci udržuje hodnotu proudu na
konstantní úrovni.
Další důležitou součástí podpůrné elektroniky je tyristorový zapalovač. Ve vypnutém a
chladném stavu je tlak uvnitř baňky výbojky příliš nízký a síťové napětí 230V není samo o sobě
schopné zažehnout elektrický oblouk. Zapalovač v okamžiku zapnutí vytvoří vysoké napětí o
hodnotě přibližně 5kV, které již plně postačuje k zapálení elektrického oblouku. Toto vysoké napětí
zapalovač udržuje až do doby, než dojde k vytvoření dostatečného tlaku uvnitř baňky výbojky. Poté
se zapalovač automaticky odpojí a elektrický oblouk je nadále udržován síťovým napětím 230V.
8
Poslední v řadě sestavy podpůrné elektroniky výbojky je kompenzační kondenzátor.
Funkčnost výbojky neovlivňuje, ale slouží ke kompenzaci jalového proudu, který je ve větším
množství nežádoucí hlavně pro distributora elektrické energie. V DIY projektorech používané
výbojky produkují zanedbatelné množství jalového výkonu a není proto bezpodmínečně nutné
kompenzační kondenzátor použít Jelikož je v obvodu použitá tlumivka, která se při průchodu
střídavého proudu chová jako induktivní zátěž, dochází ke snižování účiníku. Proto se například i u
obyčejných zářivek používá kompenzační kondenzátor. Ten se naopak při průchodu střídavého
proudu chová jako kapacitní zátěž a výsledný účiník vyrovnává zpět.
3.2
Sférický reflektor
Jak napovídá název, tato komponenta reflektuje neboli odráží světelné paprsky. Výbojku jako
takovou lze považovat za bodový zdroj světla. Pokud výbojku tedy umístíme do středu kulové
zrcadlové plochy sférického reflektoru, pak jsou paprsky, které z výbojky vycházejí opačným
směrem než je směr promítání, odráženy zpět do středu reflektoru. Pokud si tedy představíme
reflektor jako polovinu kulové plochy, pak paprsky, které jsou touto kulovou plochou,
resp. reflektorem odraženy, směřují po odrazu souběžně s paprsky, které odraženy nebyly, to
znamená v požadovaném směru promítání.
3.3
Optický kondenzor
Kondensor je obyčejná spojná ploskovypuklá optická čočka. Je umístěn mezi výbojkou a
první fresnelovou čočkou. U projektorů, resp. obecně u promítacích zařízení plní tři základní funkce.
První je rovnoměrné prosvícení LCD displeje. Tato funkční vlastnost se projeví
rovnoměrným nasvícením obrazu na promítacím plátně. Pokud bychom porovnali projekci z
projektoru, v němž je kondenzor osazen, a z projektoru, který tuto optickou součást postrádá, byl by
rozdíl na první pohled patrný. Nedokonalost rovnoměrného nasvícení obrazu na plátně se projevuje
především při světlých scénách, kdy jsou okraje obrazu vůči jeho středu výrazně tmavší. V
domácích podmínkách a při nedokonalých znalostech optiky sice lze jen obtížně dosáhnout naprosto
rovnoměrného podsvícení, ale z praxe vyplývá, že právě kondensor nerovnoměrné nasvícení z větší
části eliminuje.
Druhou funkcí optického kondenzoru je zachycení a následné usměrnění šířících se
světelných paprsků na fresnelovu čočku. Usměrnění světelných paprsků je docíleno umístěním
výbojky co nejblíže kondenzoru. Díky tomuto umístění část paprsků, které by jinak směřovaly na
stěny skříně projektoru, projde kondenzorem. Tyto paprsky jsou podle zákonů optiky o spojné čočce
kondenzorem zalomeny a usměrněny na fresnelovu čočku.
Třetí funkce, nebo spíše výhoda použití kondenzoru vyplývá ze skutečnosti, která byla
popsána v předchozím odstavci. Paprsky, které projdou kondenzorem, vycházejí z kondenzoru pod
jiným úhlem, než do něj vstupují. Pokud bychom tyto paprsky prodloužili na opačnou stranu,
protnuly by se v bodě, který se pak vůči zbytku celé optické soustavy chová jako bodový zdroj
světla. To znamená, že kondenzor virtuálně posune bodový zdroj světla výbojky o určitou
vzdálenost dále, než se skutečně nachází. Výhodou je tedy skutečnost, že při použití kondenzoru
může být celková výsledná konstrukční velikost (výška) skříně projektoru právě o tuto vzdálenost
kratší.
9
3.4
IR filtrační sklo
V projektorech se využívá z důvodu snížení vyzařování infračervených paprsků výbojkou, to
znamená k omezení značného tepelného vyzařování výbojky na LCD panel. Jelikož není optická
část DIY projektorů tak dokonalá, jako je tomu například u komerčně vyráběných projektorů a
využití světelného výkonu výbojky tudíž není optimální, musí být tato nedokonalost kompenzována
zvýšeným příkonem použité výbojky. Tím samozřejmě neúměrně vzroste množství tepelného (IR)
záření. IR sklo je vyrobeno z takových materiálů, které paprsky IR-záření alespoň z části pohlcují a
propouštějí jen světlo ve viditelném spektru. Bohužel však tato filtrační skla vykazují jednu
nežádoucí vlastnost, kterou je nerovnoměrné propouštění světelných paprsků viditelného spektra.
Následkem této vlastnosti dochází ke zkreslení barev na výsledném obrazu, jelikož každá základní
barevná složka spektra - červená, zelená, modrá (RGB) má jinou světelnou intenzitu a tudíž každý
barevný subpixel na LCD není prosvěcován se stejnou intenzitou.
3.5
Fresnelovy čočky
Další komponentou, využívanou v projektoru, je fresnelova čočka. Oproti klasické čočce
vypadá na první pohled jako tabulka skla či plexiskla. Pokud se však podíváme zblízka, vidíme, že
jsou na tomto skle patrné soustředné kružnice. Když se podíváme ještě detailněji, zjistíme, že každá
kružnice má o trochu jiný sklon zářezu. Rozdíl mezi klasickou a fresnelovou čočkou názorně
ukazuje obr. 1. Komplexně se fresnelova čočka chová jako klasická čočka, tzn. má stejné optické
parametry, ale je méně kvalitní. Výhodou je však její téměř zanedbatelná tloušťka, nízká hmotnost a
cena.
V DIY projektorech se používají fresnelovy čočky dvě. Jedna slouží ke zrovnoběžnění
světelných paprsků vycházejících z výbojky, druhá pak tyto rovnoběžné paprsky soustředí do svého
ohniska, ve kterém se nachází objektiv.
Obr. 1
3.6
LCD panel
LCD panel je jednou z nejdůležitějších, ale také nejdražších součástí celého DIY projektoru,
jelikož právě on nejvíce ovlivňuje výslednou kvalitu výstupu, tedy promítaného obrazu.
Při koupi kvalitního LCD monitoru je důležité vybírat podle několika důležitých parametrů.
Především se musíme rozhodnout, jakou velikost monitoru zvolíme, jelikož od této velikosti se
následně odvíjí celková velikost DIY projektoru. Pokud tuto otázku máme vyřešenou, dalšími
rozhodujícími parametry pro výběr typu monitoru, resp. LCD panelu, jsou zejména dosahovaná
úroveň kontrastu, doba odezvy a vybavenost signálovými vstupy.
10
Kontrast je ve zjednodušeném pojetí poměr mezi nejtmavším a nejsvětlejším bodem obrazu.
Při projekci to tedy znamená, jaké tmavosti dosáhne obraz při tmavých scénách ve vztahu ke
světelným podmínkám v okolním prostředí. Názorně si tuto vlastnost můžeme představit v situaci, v
níž bychom promítali absolutně černý obraz v absolutní tmě. Pokud by se hodnota poměru kontrastu
blížila k nekonečnu (tedy například nereálných 1 000 000:1), pak by LCD panelem neprošlo vůbec
žádné světlo a na promítacím plátně bychom vlastně nepoznali, že je projektor zapnutý a promítá
obraz. V praxi však LCD monitory zatím běžně dosahují hodnot v rozmezí 300:1 až 1000:1.
Doba odezvy je při použití LCD panelu stejně tak důležitá, jako kdybychom původní LCD
monitor používali k jeho původnímu účelu, to znamená jako stolní monitor k PC. Při vysokých
dobách odezvy je obraz v rychlých scénách rozmazaný, a naopak. Čím kratší doba odezvy, tím je
výsledná kvalita obrazu lepší.
Signálové vstupy jsou u dnešních LCD monitorů v podstatě dvojího typu. Analogový - VGA,
a digitální – DVI. Jelikož je LCD monitor čistě digitální zařízení stejně tak jako grafická karta v PC,
pak při použití analogového vstupu je obraz méně kalitní vzhledem ke skutečnosti, že dochází ke
dvojí konverzi těchto signálů - tzn. nejprve digitálně-analogový převod (D/A), a poté zpět na signál
digitální (A/D převod). Pokud použijeme digitální vstup, pak k těmto zbytečným konverzím
nedochází a výsledný obraz je kvalitnější.
Další důležitou věcí, která není ve specifikacích LCD monitorů výrobci udávána, je
tzv. volný FFC (Flat Flex Cable – plochý ohebný kabel). Jedná se v podstatě o propojení LCD
panelu s jeho řadičem. Pokud chceme monitor využít ke stavbě DIY projektoru, nesmí nám
samozřejmě bránit v optické cestě žádný propojovací kabel. Skutečnost, jak je LCD monitor uvnitř
propojený a uspořádaný však nejde stoprocentně zjistit u žádného typu monitoru bez ohledu na
původ jeho výroby. Jsou jen dvě možnosti, jak tuto vlastnost zjistit. První možností je navštěva
internetového fóra, zabývajícího se stavbou DIY projektorů a hledat, popřípadě vznést dotaz, zdali
námi vybraný LCD monitor již použil někdo před námi, a jestli je tedy použití LCD panelu z tohoto
monitoru možné a vhodné. Toto je nejsnadnější cesta. Druhou, podstatně méně elegantní a
praktickou možností je vybraný monitor zakoupit, rozebrat, a doufat, že bude našim potřebám na
stavbu DIY projektoru vyhovovat.
3.7
Odrazové optické zrcadlo
Optická zrcadla se v projektorech využívají k pravoúhlému zalomení světelných paprsků.
Díky této vlastnosti můžeme konstruovat například přístroje typu Meotar či Episkop, a nebo právě
tento DIY projektor.
Optické zrcadlo se v projektorech používá z důvodu dosažení maximální kvality a čistoty
odrazu světelných paprsků. Toto speciální zrcadlo má odrazovou vrstvu nanesenou přímo na
povrchu odrazové plochy skla. Je pochopitelně možné použít i zrcadlo obyčejné, které však má
odrazovou vrstvu nanesenou až pod vrstvou (tloušťkou) skla. Rozdíl v použití optického a
obyčejného zrcadla spočívá ve skutečnosti, že zatímco u optického zrcadla dochází pouze k
jednomu, přímému odrazu paprsků od jeho povrchu, u zrcadla obyčejného dochází k dvojímu
odrazu paprsků. Jednou se světlo částečně odrazí od skleněného povrchu zrcadla, a teprve po
průchodu tloušťkou skla se odrazí od hlavní odrazové vrstvy úplně. Částečný odraz od skleněné
plochy je sice velmi slabý, ale ve výsledném obrazu se negativně projeví ve formě vytváření
obrazových stínů, laicky tzv. „duchů“.
11
3.8
Objektiv
Poslední optickou součástí projektoru je objektiv. Bez této součásti by nebylo možné zaostřit
paprsky světla vycházejících z druhé fresnelovy čočky. Rozlišujeme objektivy jedno, dvou a tříčočkové. Kvalita objektivu pochopitelně stoupá s počtem použitých čoček, jelikož každá čočka
eliminuje některou z optických vad čoček ostatních. Jedná se především o chromatickou a sférickou
aberaci.
Chromatická aberace (též chromatická vada – viz. obr. 2) je barevná vada čočky způsobená
závislostí indexu lomu u všech průhledných látek na vlnové délce. Čočky pak lámou světlo každé
barvy jinak (záření dlouhovlnné - červené nejméně, krátkovlnné - fialové nejvíce), což se na snímku
projeví jako barevné lemování ostrých přechodů mezi světlem a stínem. Tuto vadu jednotlivé čočky
lze částečně eliminovat přidáním dalších čoček do soustavy (viz. obr. 3).
Obr. 2 - Chromatická aberace
Obr. 3 - Eliminace chromatické aberace
Sférická aberace je optická vada, kdy se světelné paprsky na okraji čočky lámou pod větším
úhlem, než poblíž optické osy čočky. To znamená, že se paprsky procházející okrajem čočky
protnou blíže, než paprsky procházející poblíž optické osy čočky (viz. obr. 4).
Obr. 4 - Sférická aberace
Pro projekci DIY projektory jsou vhodné triplety (tri = tři čočky), pro méně kvalitnější
aplikace nebo menší promítané úhlopříčky lze použít objektivy s menším počtem čoček. Triplety se
daleko lépe zbavují výše popsaných optických vad.
Kromě počtu čoček jsou hlavními sledovanými parametry objektivů ohnisková vzdálenost a
úhel FOV (Field Of View).
Ohnisková vzdálenost určuje výslednou velikost obrazu. Čím větší je ohnisková vzdálenost,
tím je možné dosáhnout menšího obrazu při stejné projekční vzdálenosti od plátna.
Úhel FOV – úhel pole pohledu určuje maximální velikost promítané předlohy. Čím je úhel
FOV objektivu větší, tím větší předlohu můžeme zaostřit. Tento úhel úzce souvisí s průměrem
objektivu, který ho prakticky určuje.
12
3.9
Skříň projektoru
Všechny výše uvedené komponenty musí být osazeny ve vhodné skříni, aby se z použitých
součástí stal funkční bezpečný celek - výrobek. Jelikož je opracování kovových materiálů z hlediska
strojního vybavení domácí dílny poněkud problematické, je většina skříní DIY projektorů zhotovena
převážně z finálně povrchově upravených nebo surových dřevotřískových a překližkových materiálů
dále povrchově upravených, jejichž nároky na zpracování do požadovaných tvarů nejsou natolik
náročné, jako u kovových materiálů.
13
4
Technické parametry komponent a jejich osazení
V předchozí části byly jednotlivé komponenty a jejich funkce popsány v obecné rovině.
V této kapitole jsou uvedeny a popsány technické parametry konkrétních komponent, které jsem
použil při stavbě DIY projektoru.
Vzájemné odstupové vzdálenosti mezi jednotlivými optickými komponenty vycházejí ze
zákonitostí optiky, ale především z praktických zkušeností, pokusů a poznatků získaných v průběhu
stavby projektoru.
4.1
Výbojka a podpůrná elektronika
4.1.1
Výbojka
Obr. 5 - Výbojka OSRAM Powerstar HQI-TS 400W/D
Specifikace:
Typ:
Příkon:
Barevná teplota (chromatičnost):
Světelný tok:
Svítivost:
Průměr:
OSRAM Powerstar HQI-TS 400W/D FC2 FLH1
400 W
5600 K
31 000 lm
1100 cd/cm2
31 mm
Výbojka je osazena v keramických paticích a spolu se sférickým reflektorem, optickým
kondenzorem a IR filtračním sklem je umístěna v pouzdře, které je vyrobeno z hliníkových plechů
tloušťky 1,5 mm a pertinaxových dílů tloušťky 5 mm. Toto pouzdro je připevněno k bokům skříně
projektoru. Celé pouzdro je opatřeno žáruvzdorným nástřikem černé matné barvy kvůli eliminaci
parazitních odrazů světelných paprsků (viz. obr. 6). Z důvodu zamezení šíření tepelné energie
vyzařované výbojkou jsou tři vnější strany pouzdra obloženy tepelně izolačním materiálem Sibral
(čtvrtou stranu tvoří IR izolační sklo). Prostor pouzdra je odvětráván pomocí ventilátoru ∅ 120mm.
Obr. 6 - Způsob osazení výbojky do pouzdra
14
4.1.2
Tlumivka
Obr. 7a – Tlumivka LAYRTON SAPI-HSI 40/23
Specifikace
Obr. 7b – Parametry tlumivky
Typ:
LAYRTON SAPI - HSI 40/23
Ostatní údaje: viz. obr. 7b
Osazení tlumivky je popsáno v kapitole 5.
4.1.3
Tyristorový zapalovač
Obr. 8b – Schéma zapojení
Obr. 8a
Specifikace
Typ:
Výkon:
TYRIST TRZ 11
100 - 400W
Osazení tyristorového zapalovače je popsáno v kapitole 5.
15
4.2
Sférický reflektor
Obr. 9a – SférickýObr.
reflektor
9a
Specifikace
Ohnisková vzdálenost:
Průměr:
CT:
ET:
R1:
R2:
Obr. 9b - Parametry
16.30 mm
64.00 mm
4.80 mm
6.27 mm
37.20 mm
32.60 mm
Sférický reflektor je osazen spolu s výbojkou, optickým kondenzorem a IR filtračním sklem
v pouzdře, které je vyrobeno z hliníkových plechů a pertinaxových dílů. Toto pouzdro je připevněno
k bokům skříně projektoru. Samotný sférický reflektor je pak uchycen na závitových tyčích pomocí
patřičně upravených kovových mřížek používaných u ventilátorů (viz. obr. 10).
Obr. 10 - Způsob osazení sférichého reflektoru
16
4.3
Optický kondenzor
Obr. 11 - Optický kondenzor
Specifikace
Ohnisková vzdálenost:
Průměr:
220 mm
90 mm
Optický kondenzor je osazen spolu s výbojkou, sférickým reflektorem a IR filtračním sklem
v pouzdře, které je vyrobeno z hliníkových plechů a pertinaxových dílů a toto pouzdro je připevněno
k bokům skříně projektoru. Samotný optický kondenzor je pak uchycen na závitových tyčích
pomocí patřičně upravených kovových mřížek používaných u ventilátorů (viz. obr. 12)
Obr. 12 - Způsob osazení optického kondenzoru
17
4.4
IR filtrační sklo
Specifikace
Typ:
Rozměry (délka x šířka):
Tloušťka:
Robax Anti-IR
217 x 125 mm
4 mm
IR filtrační sklo je osazeno spolu s výbojkou, sférickým reflektorem a optickým
kondenzorem v pouzdře, které je vyrobeno z hliníkových plechů a pertinaxových dílů. Toto pouzdro
je připevněno k bokům skříně projektoru.
4.5
Fresnelovy čočky
4.5.1
Fresnelova čočka 1
Specifikace
Rozměry (š x v):
Ohnisková vzdálenost:
4.5.2
395 x 395 mm
330 mm
Fresnelova čočka 2
Specifikace
Rozměry (š x v):
Ohnisková vzdálenost:
320 x 400 mm
550 mm
Obě fresnelovy čočky – č.1 a 2 jsou k sobě vzájemně slepeny a společně jsou volně zasunuty
do dřevěných profilovaných lišt, které jsou přišroubované na bocích skříně projektoru.
Obr. 13 - Osazení fresnelových čoček v projektoru
18
4.6
LCD panel
Specifikace
Typ:
Úhlopříčka:
Kontrast:
Doba odezvy:
Vstupy:
Hewlett-Packard HP1755
17''
1000:1
25 ms
VGA, DVI
Samotný LCD panel je uchycen v originálně vyrobeném rámečku z čirého plexiskla
opatřeném nástřikem černé matné barvy. Rámeček je uchycen k bočním stěnám skříně projektoru.
Elektronické obvody, které byly součástí původního monitoru, jsou uchyceny na distančních
sloupcích na zadní vnitřní straně skříně projektoru. Přístup k signálovým vstupům je zajištěn přes
otvor na zadní straně skříně projektoru. Tento otvor je oddělený od vnitřního prostoru skříně
projektoru prohlubní vyrobenou z plexiskla.
Obr. 14 - LCD panel v původním rámečku
4.7
Optické zrcadlo
V tomto DIY projektoru bohužel není použito optické zrcadlo, ale pouze běžné zrcadlo s
tloušťkou skla 2 mm a o rozměrech 300 x 300 mm. Původně zakoupené optické zrcadlo o rozměrech
160 x 183mm a tloušťce 3mm nemohlo být použito, jelikož se při praktických zkouškách funkčnosti
celého zařízení ukázalo, že tato velikost není při použití 17'' LCD panelu dostačující. Při promítání
obrazu nebyly zobrazeny okraje obrazu a tudíž bylo nutno z časových důvodů (dlouhá objednací
lhůta ze zahraničí) použít jako provizorní řešení běžné zrcadlo s vědomím, že tato skutečnost se
částečně negativně projeví na výsledné kvalitě promítaného obrazu.
19
Zrcadlo je uchyceno v jednoduchých držácích ze dřeva pomocí přítlačných lišt z plexiskla.
Držáky jsou přišroubovány ve sklonu 45° na vnitřních bočních stěnách skříně projektoru. Aby
nedocházelo k pnutí mezi zrcadlem a přítlačnými lištami, jsou v drážkách držáků vlepeny proužky
pružného molitanového těsnění.
Obr. 15 - Osazení odrazového zrcadla
4.8
Objektiv
Specifikace
Typ:
Ohnisková vzdálenost:
Průměr:
Počet čoček:
triplet
450 mm
135 mm
3 ks
Aby bylo možné provádět elektronické zaostřování promítaného obrazu, bylo nutné kromě
elektroniky vyvinout i potřebnou mechanickou konstrukci posuvu objektivu. K sestrojení konstrukce
posuvu byly využity některé součásti z vyřazených inkoustových tiskáren. Konkrétně se jednalo
o ozubený řemínek, krokový elektromotorek, dvě lyžiny a dvě pouzdra pojezdu tiskových hlav.
Pouzdra pojezdu jsou zalita do dvousložkového tmelu se sekelnými vlákny. Takto vzniklé
polotovary byly po vytvrdnutí tmelu opracovány do bloků požadovaného tvaru a rozměrů. Bloky se
zalitými pouzdry jsou uchyceny k odnímatelné přední stěně projektoru pomocí hliníkových
L-profilů a inbusových šroubů.
Dále bylo nutné vyrobit držák samotného objektivu. Pro výrobu držáku – přední a zadní díl,
byla použita pertinaxová deska tloušťky 7 mm, která byla upravena do požadovaného kružnicového
tvaru a opatřena středícími zarážkami, v nichž je osazeno kovové pouzdro objektivu. Přední a zadní
díl držáku je propojen pomocí dvou výše zmíněných lyžin. Držák se pak při zaostřování pohybuje
dopředu a zpět klouzáním lyžin v pouzdrech.
Na zadním dílu držáku je umístěn krokový motorek, který je osazen ve speciálně vyrobeném
pouzdru a zpřevodován přes vložené ozubené kolečko pro dosažení většího kroutícího momentu a
zmenšení dílčího kroku. Na předním dílu držáku je připevněno napínací kolečko ozubeného řemínku
a tento řemínek je pak napevno ukotven v jednom bodě k přední odnímatelné stěně skříně
projektoru.
20
Takto vzniklý mechanizmus pak díky ozubenému řemínku, krokovému motorku a řídící
elektronice pohybuje objektivem v požadovaném směru a rychlosti při zaostřování promítaného
obrazu. Vymezení pojezdu objektivu v úseku mezi spodní a horní úvratí je řešeno osazením dvou
koncových mikrospínačů, připojených k řídící elektronice projektoru.
Veškeré detaily a způsob provedení jsou patrné z obr. 16a, b.
Obr. 16a – Zaostřovací mechanizmus – vnější strana
Obr. 16b – Zaostřovací mechanizmus – vnitřní strana
21
4.9
Skříň projektoru
Vzhledem k možnostem dostupného strojního vybavení naší domácí dílny jsem jako vhodný
materiál pro výrobu skříně DIY projektoru použil překližkovou desku tloušťky 12 mm doplněnou
částmi z masivního dřeva.
Překližkové desky tvoří všechny stěny skříně projektoru. Jsou vzájemně spojeny do jednoho
celku – skříně profily z masivního dřeva. Toto spojení je provedeno z části v nerozebíratelném
provedení, pouze přední stěna a spodní a vrchní díl jsou odnímatelné. K nerozebíratelné části skříně
jsou připevněny pomocí vrutů a šroubů. Odnímatelnost částí skříně je nezbytná z důvodu provádění
údržby, čištění vnitřního vybavení a případných oprav. Z překližky tloušťky 12 mm je rovněž
vyroben kryt objektivu. Kryt je připevněn z vnější strany k odnímatelné přední stěně pomocí vrutů.
V jednotlivých stěnách skříně jsou vytvořené potřebné otvory pro ventilátory, připojovací
místa, objektiv, ovládací panel a transportní madla.
Celý vnitřní povrch skříně je opatřen nátěrem černé matné barvy, aby se zamezilo parazitním
odrazům světelných paprsků, stejně tak, jako tomu bylo u pouzdra výbojky. Vnější povrch skříně je
namořen do odstínu hnědé barvy a finálně povrchově upraven nástříkem velmi odolného
polyuretanového polomatného laku. Kovové a plexisklové části viditelně osazené ve stěnách skříně
jsou opatřené lesklým nástřikem laku v odstínu noční metalízové modři.
Veškeré detaily a způsob provedení jsou patrné z fotodokumentace v Příloze 7.
22
5
Obvodové zapojení projektoru
Obvodové zapojení DIY projektoru je znázorněno v OBVODOVÉM SCHÉMATU v
Příloze 1. Je v něm znázorněno celkové zapojení elektroniky projektoru včetně jednotlivých periferií
a řídící elektroniky. V této kapitole jsou popsány pouze jednotlivé periferie a jejich umístění.
5.1
Panel s ovládacími tlačítky
Panel je zhotoven z hliníkového plechu tloušťky 1,5mm, v němž jsou provedeny otvory pro
osazení pěti ovládacích tlačítek. Jedno tlačítko je určeno pro zapínání/vypínání celého zařízení. Dvě
tlačítka ovládají pomalý posuv objektivu, dvě tlačítka se starají o rychlý posuv objektivu. U
jednotlivých tlačítek jsou vyobrazeny příslušné symboly jejich funkcí. Panel s ovládacími tlačítky je
umístěn ve vrchním odnímatelném dílu skříně projektoru.
Obr. 17 - Panel s ovládacími tlačítky
5.2
Spínací relé výbojky
Spínací relé výbojky je osazeno spolu s ochranou diodou na malé jednoduché DPS ve spodní
části uvnitř skříně projektoru.
5.3
Ventilátory
Jeden ventilátor je umístěn v pouzdře výbojky a zajišťuje chlazení výbojky v průběhu
promítání a dále zabezpečuje dochlazování výbojky po skončení promítání nebo v případě výpadku
elektrické energie v síti.
Další dva ventilátory jsou koncipovány jako tahové a zabezpečují provětrávání celého
vnitřního prostoru skříně projektoru především proto, aby nedocházelo k přehřívání LCD panelu.
Jsou umístěné ve vrchním odnímatelném dílu skříně projektoru. Větráky vytvářejí podtlak uvnitř
horní části skříně projektoru. K vyrovnávání podtlaku dochází nuceným prouděním vzduchu ze
spodní části skříně projektoru skrz přepážku tvořenou LCD panelem a fresnelovými čočkami
(nasávací otvory vzduchu jsou ve spodní části skříně projektoru).
23
Obr. 18a – Ventilátor chlazení výbojky
5.4
Obr. 18b – Ventilátory chlazení skříně projektoru
Zadní panel pro připojení síťového a záložního napájení
Tento panel je zhotoven z hliníkového plechu tloušťky 1,5mm, v němž jsou provedeny
otvory pro osazení síťového konektoru, pojistkového pouzdra, hlavního vypínače a konektoru pro
připojení externího záložního zdroje. Panel je usazen v zadní stěně projektoru.
Obr. 19 Zadní panel pro připojení napájení
5.5
Podpůrná elektronika výbojky a spínaný zdroj
Tyristorový zapalovač, tlumivka, a
spínaný zdroj jsou osazeny na pertinaxové
desce tloušťky 5mm ve spodní části zadní
stěny uvnitř skříně projektoru.
Obr. 20 - Elektroinstalace projektoru
24
6
Řídící elektronický obvod
Řídící elektronický obvod není bezpodmínečně nutnou součástí DIY projektorů, ale jeho
použitím dosáhneme celkového zvýšení komfortu obsluhy při ovládání projektoru.
6.1
Hlavní požadavky na řídící elektronický obvod
●
Dochlazení výbojky (zdroje světla) – v okamžiku vypnutí vlastního přístroje hlavním
vypínačem nebo při výpadku hlavní elektrické rozvodné sítě. Je požadováno z důvodu
zamezení poškození vnitřních částí projektoru v důsledku tepelné setrvačnosti samotné
výbojky a jí bezprostředně ohřátých okolních komponent.
●
Elektronické ovládání zaostřování objektivu – slouží ke zvýšení komfortu obsluhy.
●
Celkové řízení projektoru pomocí jednočipového mikropočítače – sloužící ke zvýšení
komfortu obsluhy.
6.2
Koncepce řešení výroby řídícího elektronického obvodu
Celkové ovládání projektoru je řešeno prostřednictvím jednočipového procesoru Atmel s
jádrem 8051. Toto řešení bylo zvoleno z důvodu zjednodušení a zefektivnění vývoje obvodu. Díky
procesoru je možné naprogramovat funkce a činnost výstupních obvodů. Všechny funkce
výstupních obvodů je pak možné v případě, že nebudou zcela vyhovovat potřebám při provozu,
jednoduše změnit přepsáním programu, aniž by bylo nutné zasahovat do hardwarového uspořádání
obvodu.
Při použití jednočipového procesoru Atmel bylo nutné vyvinout konkrétní elektronický
obvod pro procesor a k němu odpovídající řídící program. Toto řešení si vyžádalo zapůjčení
vývojového kitu procesoru Atmel AT89xxx, k němuž bylo následně připojeno vývojové nepájivé
pole. Na nepájivém poli pak postupně následovalo zkoušení různých možností zapojení v kombinaci
s postupným rozvíjením řídícího programu. Výsledný řídící obvod a jeho činnost jsou podrobně
popsány v části 6.3 této dokumentace a řídící program je popsán v Příloze 3.
Dále bylo nutné najít vhodné řešení, jakým způsobem celý řídící elektronický obvod
zálohovat. Vzhledem k nákladům, které by si vyžádala realizace vnitřního záložního akumulátoru a
jeho nutného automatického dobíjení, bylo zvoleno jako jednodušší a méně nákladné řešení
vyvedení konektoru pro připojení externího záložního zdroje. Jelikož je tento externí záložní zdroj
přiveden na 12V stabilizátor LM7812CV, je možno připojit externí záložní zdroj stejnosměrného
napětí až 35V.
Po sestavení a vyzkoušení provizorně zapojeného obvodu na nepájivém poli a ověření, že je
ve spojení s řídícím programem procesoru plně funkční, bylo potřeba přistoupit k další fázi. Další
fáze obnášela vytvoření schématu zapojení v konkrétním návrhovém programu pro tvorbu
elektronických schémat. Schéma bylo vytvořeno v programu Eagle, který má sice jistá omezení ve
volně dostupné verzi, ale pro potřeby výroby elektronického obvodu projektoru byl zcela
vyhovující. Komplexní nástroj pro tvorbu elektronických zařízení Eagle byl dále využit k
jednoduchému vygenerování podkladů (matric) pro výrobu desky plošných spojů (dále jen DPS).
Navržený obvod obsahuje značné množství vodivých propojení, a proto bylo z hlediska náročnosti
jednodušší zvolit výrobu oboustrané DPS.
25
Po vytištění matric na průhlednou fólii a za použití cuprextitu s fotocitlivou vrstvou byla
vyrobena finální deska plošného spoje. Při výrobě bylo postupováno standardním způsobem v
souladu s technologickým postupem výroby DPS fotocestou. Vyleptaná DPS byla osazena
příslušnými součástkami a následným krokem bylo ověření funkčnosti obvodu jako celku. Po
zjištění, že je ovládací obvod plně funkční, následovalo jeho osazení do skříně projektoru a
propojení s dalšími navazujícími komponenty – ventilátory, spínacím relé výbojky, panelem s
ovládacími tlačítky, krokovým motorem posuvu objektivu a koncovými mikrospínači posuvu
objektivu.
6.3
Popis schématu zapojení řídícího elektronického obvodu
Obvodové schéma bloku řídící elektroniky je zobrazeno v Příloze 2.
6.3.1
Část zdroje napětí
Oba zdroje elektrické energie – hlavní a záložní (externí baterie, akumulátor) – jsou
přivedeny na desku řídící elektroniky pomocí konektoru POWER. Tuto část lze tedy opět rozdělit na
dva okruhy – hlavní zdroj a záložní baterie.
V prvním případě, kdy je projektor připojen k elektrické rozvodné síti, se objeví napětí 12V
ze spínaného adaptéru mezi svorkami J0-1 a J0-2. Toto napětí je přivedeno na dvojici dvojitých
přepínacích relé, z nichž pouze první (K1) je využito pro účely zdrojové části obvodu. Druhé relé
slouží pouze jako indikátor výpadku elektrické sítě pro procesor. Obě relé jsou přemostěna jednou
společnou diodou v závěrném směru, která chrání zbytek obvodu před napěťovými špičkami z cívek
relé. Pokud je aktivní hlavní napájení a je sepnuto první relé, je spojena první dvojice kontaktů
(S1 a P1), a napětí 12V ze spínaného adaptéru se objeví před diodou D5. Druhá dvojice kontaktů
(O2 a P2) je rozpojena a tím je externí záložní zdroj galvanicky oddělen od celého obvodu. Od
okamžiku rozpojení těchto kontaktů nedochází k vybíjení záložního zdroje (pokud pomineme jeho
vnitřní odpor a tedy jeho samovolné vybíjení).
V druhém případě, když je projektor odpojen od rozvodné sítě (nebo není napájen v důsledku
výpadku proudu), sepne druhý kontakt (O2 a P2), čímž dojde k připojení záložní baterie na 12V
stabilizátor (LM7812CV). Z tohoto stabilizátoru pokračuje napětí dále přes sepnutý první kontakt
relé K1 (P1 a O1) opět před diodu D5.
Výše popsaným řešením je zabezpečeno téměř kontinuální 12V napájení ventilátorů a
procesoru. Zcela kontinuálního napájení není možné dosáhnout z důvodu, že spínaný zdroj 12V,
který drží sepnuté kontakty relé, obsahuje velké filtrační kondenzátory. Po odpojení od sítě tudíž
nedojde k okamžitému rozepnutí relé s následným připojením záložního zdroje. Kontakty relé
rozepnou až v okamžiku, když se sníží napětí na filtračních kondenzátorech pod úroveň přídržného
napětí cívky relé. Dále proto následuje dioda D5, kondenzátor a 5V stabilizátor (LM78M05).
Kondenzátor udržuje energii pro logickou část obvodu po dobu, kdy se vybíjí kondenzátory ve
spínaném zdroji a než dojde k přepnutí na záložní zdroj. Dioda slouží jako blokace pro kondenzátor,
aby se vybíjel pouze přes logickou - nyní již plně kontinuálně zálohovanou část obvodu. Stabilizátor
zajišťuje napájení pro procesor a další logické obvody.
26
6.3.2
Část řídící elektroniky a výstupních obvodů
Jádrem celého řídícího obvodu je jednočipový mikropočítač ATMEL AT89C52. Ten je
připojen k výše popsanému zálohovanému napětí 5V. Dále jsou k procesoru připojeny základní
podpůrné obvody podle katalogových zapojení. Jedná se o obvod pro RESET procesoru a krystal
pro vnitřní generátor taktovacích pulzů. Ošetřen je také vstup/výstup EA, který musí být – pokud
není použita externí paměť – v log.0.
Výše zmíněné druhé relé K2 je připojené na kontakt portu P3.3 procesoru a slouží jako
indikace výpadku elektrické sítě.
Ovládání procesoru – ovládací panel
Ovládání procesoru je realizováno na portu P3 procesoru a je vyvedeno na konektor
CONTROL a dále pak na externí panel s ovládacími tlačítky.
P3.2 je připojen na tlačítko, které slouží jako hlavní vypínač projektoru. Přes toto tlačítko je
možné projektor zapnout i vypnout.
P3.4 – P3.7 jsou vyvedeny na tlačítka, která slouží k ovládání krokového motoru posuvu
objektivu při zaostřování obrazu.
Na konektor CONTROL je dále vyvedeno napětí 12V a jeden procesorem ovládaný výstup
P1.4 z budiče ULN2003A, sloužící k napájení podsvícených tlačítek na ovládacím panelu. Poslední
kontakt je GND (zem), společný pro všechna tlačítka a pro podsvícení.
Pozn.: I přesto, že podsvícená tlačítka jsem u prodejce včas objednal, přislíbenou dodací
lhůtu prodejce nedodržel. Proto jsem byl z časových důvodů donucen od svého původního záměru
ustoupit a osadit obyčejná tlačítka bez podsvícení. Z tohoto důvodu není o ovládání podsvícení
těchto tlačítek zmíňka v ovládacím programu pro obsluhu řídící elektroniky uvedeném v Příloze 3.
Ovládání krokového motoru – ostření
Ovládání krokového motoru je realizováno na portu P2 procesoru a je vyvedeno přes budič
L293E na konektor STEPPER a dále pak na krokový motor.
P2.0 – P2.3 slouží k programově řízenému spínání cívek krokového motoru a jsou připojeny
na vstupy budiče krokového motoru L293E.
P2.4 je připojen přes invertor na vstupy CHIP ENABLE budiče krokového motoru a slouží k
zapínání/vypínání budiče. Přes invertor je připojen z toho důvodu, že po startu (resetu) procesoru
jsou na všech portech implicitně nastaveny log.1, čímž by došlo k sepnutí všech cívek najednou.
Invertor zajistí, že tento budič bude aktivní až v okamžiku, kdy se na kontaktu P2.4 procesoru objeví
log.0.
Napájení budiče krokového motoru L293E je připojeno na nezálohovaný zdroj napětí, tedy
přímo na spínaný zdroj. Výstupy SENSE tohoto budiče (1. - 4.) nejsou využity. Výstupy budiče jsou
vyvedeny přímo na konektor STEPPER a jelikož se jedná krokový motor, jsou zde připojené ještě
ochranné diody D1 – D4 v závěrném směru.
Na konektoru STEPPER jsou ještě vyvedeny první dva kontakty portu P3, které slouží k
indikaci krajních úvratí posuvu objektivu, aby se motor přestal otáčet a nedošlo k poškození
mechanizmu zaostřování objektivu.
27
Ovládání ostatních periferií
Ovládání ostatních periferií je realizováno na portu P1 procesoru a je vyvedeno přes invertor
a budič ULN2003A na konektor LIGHT, FAN1, FAN2 a FAN3.
P1.0 – LIGHT slouží k ovládání relé, na které je připojena vlastní výbojka.
P1.1–P1.3 - FAN1–3 slouží k ovládání ventilátorů uvnitř skříně projektoru.
7
Popis ovládání projektoru
Zapnutí projektoru je umožněno po připojení kabelu síťového napájení tlačítkem označeným
symbolem
na panelu s ovládacími tlačítky (viz. obr. 17). Po stisku tohoto tlačítka dojde k
rozsvícení výbojky a rozběhu všech tří ventilátorů. Jak vyplývá z obvodového schématu zapojení, je
LCD panel připojen přímo na síťové napájení, a proto je po přivedení obrazového signálu (např. z
PC, DVD, ...) možno začít ihned promítat.
Po zapnutí přístroje, popsaném v předchozím odstavci, je možné pomocí čtyř tlačítek ovládat
krokový motorek, který přes mechanizmus složený z ozubených koleček a ozubeného řemínku
pohybuje objektivem a tím dochází k zaostření obrazu na určitou projekční vzdálenost. Čtyři tlačítka
jsou využita pro dvě rychlosti ostření – pomalý posuv vpřed/vzad, rychlý posuv vpřed/vzad.
Krokování je samozřejmě možné na obě strany. Zároveň je zabezpečeno pomocí koncových
mikrospínačů, aby se ostření zastavilo, pokud objektiv dosáhne kterékoliv z jeho dvou krajních
úvratí. Zároveň je ale vždy možné začít ostřit na opačnou stranu.
Po ukončení promítání a manuálním vypnutí přístroje prostřednictvím tlačítka označeného
symbolem
zajišťuje elektronika bezpečné dochlazení výbojky a po uplynutí programově
nastavené doby dochlazení se celé zařízení automaticky vypne. Stejný případ nastane, pokud v
průběhu promítání dojde k výpadku hlavní rozvodné elektrické sítě. Elektronika výpadek
zaregistruje, a pokud je připojen externí záložní zdroj, přejde řídící jednotka automaticky do režimu
dochlazování výbojky a k následnému vypnutí celého zařízení. Opětovné zapnutí přístroje je možné
až po obnovení dodávky elektrické energie z rozvodné sítě.
28
8
Závěrečné hodnocení
Při zkušebním promítání v průběhu dílčích zkoušek jednotlivých částí projektoru a následně
při zkušebním promítání po úplném dokončení celého zařízení DIY projektoru bylo zjištěno, že
projektor jako celek funguje podle očekávání a výsledná kvalita obrazu je uspokojující i přes
skutečnost, že v projektoru je použito namísto optického zrcadla pouze zrcadlo obyčejné. Jednotlivé
části projektoru - mechanizmus zaostřování objektivu, chod ventilátorů a řídící elektronika fungují
přesně podle původního záměru.
Stavba projektoru pro mě z praktického hlediska znamenala nabytí mnoha cenných
zkušeností v oblasti teoretického poznání zákonů optiky a tvorby elektronických zařízení. Cennější
však je skutečnost, že teoretické poznatky jsem mohl uvést do praxe a vytvořit tak plně funkční
výrobek, který najde praktické využití. Rovněž jsem se zdokonalil v praktickém poznání
technologických postupů při vývoji a výrobě jednotlivých součástí projekčního zařízení.
I přesto, že podobné zařízení by bylo možné pořídit za cenu cca 15 000,- Kč, cenová
kalkulace tohoto DIY projektoru se kvůli vyšším nárokům na celkovou úroveň provedení – design,
komfort obsluhy a kvalita použitých komponent pohybuje v cenové relaci cca 22 000,- Kč. V této
ceně není započtena práce ve vztahu k hodinám, stráveným vývojem a výrobou tohoto DIY
projektoru.
V průběhu výroby DIY projektoru se vyskytly různé problémy a překážky. Při jejich řešení
mi účinně a nezištně pomáhaly blízké osoby z mé rodiny, učitelé z VOŠ a SPŠE a přátelé. Dalším
cenným zdrojem informací byly četné internetové diskuze. Zvláště výraznou pomoc a neocenitelné
rady mi v rámci internetových diskusí poskytli zejména ing. David Vlachý alias Šaman a Martin
Vitvar alias Check. Všem výše zmíněným osobám patří moje velké poděkování. Bez jejich
obětavého přístupu a věnovaného času bych celý tento projekt jen s velkými obtížemi dovedl do
zdárného konce.
9
Použitá literatura a informační zdroje
Poláček D.: Technické kreslení podle mezinárodních norem III. Montanex 1999,
ISBN: 80-85780-28-3
Internet:
●
●
●
●
●
●
●
●
DIY Projektory – Fórum:
DIY Projektory – Galerie:
Martin Vitvar – osobní stránky
Manuál k programu Eagle:
Procesory Atmel:
Krokové motory:
CNC Fórum:
Datasheet katalog:
http://www.dvlachy.ic.cz/phpBB2/index.php
http://www.allinbox.com/allinbox.htm
http://www.check.wz.cz/diy.htm
http://www.fm.vslib.cz/~kes/zip/profi/des/maneag.html
http://www.dhservis.cz/index.php
http://www.elektrorevue.cz/clanky/05043/#kapitola2.1
http://www.mdp.cz/teorie.htm
http://www.c-n-c.cz
http://www.datasheetcatalog.com
29
Přílohy k dokumentaci
DIY projektoru
z LCD panelu
Příloha 1
OBVODOVÉ (základní) SCHÉMA
1/2
Legenda k obvodovému základnímu schématu:
Označení
Popis
A1
Blok řídící elektroniky
A2
Elektronika LCD panelu
A3
Hliníkový tunel pro výbojku – připojen k ochranému vodiči
A4
Elektronicky ovládané spínací relé pro výbojku, opatřené ochrannou diodou D1
D1
Ochranná dioda cívky relé
E1-E3
Systémové ventilátory
E4
Tyristorový zapalovač výbojky
F1
Hlavní pojistka
G1
Síťový spínaný zdroj pro řídící elektroniku
K1
Cívka relé
L1
Předřadná tlumivka výbojky
M1
Krokový motor ostřícího mechanismu
Q1
Hlavní vypínač
Q2
Spínací kontakt relé
S1 - S5
Ovládací přístrojová tlačítka
V1
Metalhalogenidová výbojka
X1
Hlavní síťový napájecí konektor
X2
Konektorové připojení spínaného zdroje
X3
Konektor pro připojení stejnosměrného záložního zdroje – akumulátor, baterie
X4, X5
Pomocné svorkovnice
2/2
Příloha 2
OBVODOVÉ (základní) SCHÉMA BLOKU ŘÍDÍCÍ ELEKTRONIKY
1/1
Příloha 3
PROGRAM PRO OBSLUHU ŘÍDÍCÍ ELEKTRONIKY
Přiřazení portů:
p1
p2
p3
Programovatelné výstupy budiče - ventilátory, relé pro výbojku, napájení podsvícení tlačítek
Krokový motor - ostření
Vstupní signály - tlačítka, koncové mikrospínače, signalizace výpadku napájení
Vlastní program:
org
jmp
org
jmp
00h
boot
003h
prerus
;první instrukce programu
;skok na podprogram "boot"
;první instrukce obsluhy přerušení
;skok na podprogram "prerus"
preidle:jb
jmp
p3.2,dochlaz
preidle
;podprogram zajišťující přechod do režimu
dochlazení výbojky až po uvolnění tlačítka On/Off
dochlaz:mov
mov
p1,#11111101b
p2,#255
;podprogram pro režim dochlazení výbojky s následným
přechodem procesoru do úsporného režimu "idle"
zapnutý pouze ventilátor u výbojky
mov
mov
mov
djnz
djnz
djnz
jmp
r6,#255
r7,#255
r5,#255
r5,$
r7,sn
r6,sm
idle
;časovací smyčka podprogramu "dochlaz", která určuje
dobu, po kterou bude výbojka dochlazována
boot:
mov
mov
p1,#255
p2,#255
;první podprogram prováděný při prvotním zapnutí přístroje
zapnutí ventilátorů (P1), výbojky, podsvícených tlačítek,
nulování výstupního budiče krokového motoru (P2)
idle:
mov
mov
mov
mov
mov
p1,#255
p2,#255
tcon,#00000001b
ie,#10000001b
pcon,#00000001b
;podprogram pro přechod do úsporného "idle" režimu
;nastavení bitů portů stejné jako u podprogramu "boot"
;nastavení přerušení INT0 na sestupnou hranu
;povolení vnějšího přerušení INT0
;přechod do úsporného "idle" režimu, poslední instrukce
jnb
jnb
p3.3,idle
p3.2,$
;projektor nelze spustit, pokud není v pořádku hlavní napájení
;čeká na uvolnění tlačítka start
mov
mov
mov
djnz
djnz
djnz
r6,#255
r7,#255
r5,#4
r5,$
r7,ss
r6,sa
;zpožďovací smyčka, která eliminuje zákmit tlačítka
mov
mov
r0,#0
p1,#11110000b
;nastavení čítače řádků tabulky na první řádek
;zapnutí výbojky a všech ventilátorů
sm:
sn:
sa:
ss:
;skok na poslední podprogram s následným přechodem
procesoru do úsporného režimu "idle"
1/3
start:
mov
jnb
jnb
jnb
jnb
jnb
jnb
jmp
prerus: mov
reti
p2,#255
p3.7,rotrs
p3.6,rotrf
p3.5,rotlf
p3.4,rotls
p3.3,dochlaz
p3.2,preidle
start
;smyčka pro načítání stavů jednotlivých ovládacích tlačítek
;kontrola tlačítka pro krokování motoru
;kontrola tlačítka pro krokování motoru
;kontrola tlačítka pro krokování motoru
;kontrola tlačítka pro krokování motoru
;kontrola kontaktu rélé pro zálohu
;kontrola tlačítka pro přechod do úsporného režimu "idle"
ie,#10000000b
;zákaz vnějšího přerušení INT0
;návrat z obsluhy přerušení
Programové bloky pro otáčení motoru:
rotrs: mov
looprs: jb
jnb
mov
movc
mov
inc
call
cjne
mov
jmp
dptr,#tabr
p3.7,start
p3.0,start
a,r0
a,@a+dptr
p2,a
r0
dels
r0,#8,looprs
r0,#0
looprs
rotrf: mov
looprf: jb
jnb
mov
movc
mov
inc
call
cjne
mov
jmp
dptr,#tabr
p3.6,start
p3.0,start
a,r0
a,@a+dptr
p2,a
r0
delf
r0,#8,looprf
r0,#0
looprf
rotlf:
mov
looplf: jb
jnb
mov
movc
mov
inc
call
cjne
mov
jmp
dptr,#tabl
p3.5,start
p3.1,start
a,r0
a,@a+dptr
p2,a
r0
delf
r0,#8,looplf
r0,#0
looplf
rotls: mov
loopls: jb
jnb
mov
movc
mov
inc
call
cjne
mov
jmp
dptr,#tabl
p3.4,start
p3.1,start
a,r0
a,@a+dptr
p2,a
r0
dels
r0,#8,loopls
r0,#0
loopls
;načtení tabulky do registru dptr
;kontrola tlačítka před zahájením dalšího kroku
;kontrola koncového mikrospínače
;přesun obsahu r0 do akumulátoru
;sečtení akumulátoru s tabulkou v dptr
;přesun bytu v akumulátoru na výstupní port budiče motoru
;inkrementace registru r0 o 1
;volání zpožďovací smyčky
;kontrola pozice v tabulce
;nulování registru R0 pro návrat na první řádek tabulky
;skok na "looprs"
2/3
delf:
smf:
mov
mov
djnz
djnz
ret
r1,#40
r2,#250
r2,$
r1,smf
;zpožďovací smyčka pro rychlé krokování krokového motoru
dels:
sms:
mov
mov
djnz
djnz
ret
r1,#250
r2,#250
r2,$
r1,sms
;spožďovací smyčka pro pomalé krokování krokového motoru
tabr:
db
db
db
db
db
db
db
db
00000001b
00000011b
00000010b
00000110b
00000100b
00001100b
00001000b
00001001b
;dvojice tabulek, která určuje posloupnost připojování jednotlivých
cívek krokového motoru, a tedy i výsledný směr jeho otáčení
tabl:
db
db
db
db
db
db
db
db
00001000b
00001100b
00000100b
00000110b
00000010b
00000011b
00000001b
00001001b
end
;konec programu
3/3
Příloha 4
SOUPIS POUŽITÝCH SOUČÁSTEK BLOKU ŘÍDÍCÍ
ELEKTRONIKY
Název
Rezistory
Kondenzátory
Elyt. kondenzátory
Diody
Procesory
Integ. obvody
Relé
Krystaly
Ostatní
Označení
Typ
R1
8,2k
C1
330n
C2
100n
C3
330n
C4
100n
C5
33p
C6
33p
C7
10µ
C8
10m
D1 - D6
1N5822
IO1
Atmel AT89C52 - 24PI
IC1
ULN2003AN
IC2
L293E
IC3
7805L
IC4
LM7812CV
IC5
74LS04N
K1
RELE MP-12 - RELEMP-12
K2
RELE MP-12 - RELEMP-12
XTAL1
12MHz
J0
Konektor PSH02-04WG
J1
Konektor PSH02-08WG
J2
Konektor PSH02-08WG
J3
Konektor PSH02-02WG
J4
Konektor PSH02-02WG
J5
Konektor PSH02-02WG
J6
Konektor PSH02-02WG
1/2
SOUPIS OSTATNÍCH POUŽITÝCH SOUČÁSTEK
Název
Označení
Typ
Diody
D1
1N5822
Relé
K1
Finder 4341 - RELEF4341-12
Tyrystorový zapalovač
E4
TYRIST TRZ 11
Spínaný zdroj
G1
MW-SYS1298-2412H
Ventilátory
E1 - E3
NEXUS D12SL-12
Krokový motor
M1
55SPM25D7ZA1
Výbojka
V1
Osram HQI-TS 400W/D FC2 FLH1
Tlumivka
L1
LAYRTON SAPI - HSI 40/23
X4
Svorkovnice UH šroubovací
X5
Svorkovnice UH šroubovací
Pojistky
F1
T-8A
Pojistkové pouzdro
F1
K2271
Vypínače
Q1
P-C1300AB01
Tlačítka
S1 - S5
Svorkovnice
Konektory
P-PB303B - BLUE
X1
GSD3-40
X2
FS853-BS
X3
SCJ-0363
2/2
Příloha 5
MATRICE DPS – strana součástek
VYLEPTANÁ DPS – strana součástek
1/3
MATRICE DPS – spodní strana
VYLEPTANÁ DPS – spodní strana
2/3
ROZVRŽENÍ SOUČÁSTEK NA DPS
ROZVRŽENÍ SOUČÁSTEK NA DPS - fotodokumentace
3/3
Příloha 6
DIY PROJEKTOR - PŮVODNÍ PROVEDENÍ
1/1
Příloha 7
DIY PROJEKTOR - NOVÉ PROVEDENÍ
1/3
CELKOVÉ VNITŘNÍ USPOŘÁDÁNÍ DIY PROJEKTORU
2/3
DETAILY VNITŘNÍHO USPOŘÁDÁNÍ DIY PROJEKTORU
3/3
SKŘÍŇ DIY PROJEKTORU – VÝKRES POHLEDŮ
M 1:10
Příloha 8
LEGENDA
Ozn.
Popis, funkce
Ozn.
Popis, funkce
a
Přední odnímatelný díl
i
Panel pro připojení PC
b
Vrchní odnímatelný díl
j
Panel pro připojení síťového a záložního
napájení
c
Spodní odnímatelný díl
k
Transportní madlo (2 ks)
d
Kryt objektivu
l
Nasávací otvor s ventilátorem chlazení
výbojky
e
Objektiv
m
Výfukový otvor chlazení výbojky
f
Nasávací otvory chlazení skříně (2x)
n
Výfukové otvory s ventilátory chlazení
skříně (2x)
g
Upevňovací šroub M5x40 (10 ks)
h
Stavěcí kluzák (4 ks)
o
Panel s ovládacími tlačítky
SCHÉMATICKÝ ŘEZ DIY PROJEKTOREM
Příloha 9
LEGENDA
Označení
Popis, funkce
1
2
Skříň projektoru
3
Stavěcí kluzák (4 ks)
4
Nasávací otvory chlazení skříně (2x)
5
Výfukové otvory s ventilátory chlazení skříně (2x)
6
Reflektor
7
Výbojka
8
Kondenzor
9
Pouzdro
Kryt objektivu
10
IR filtrační sklo
11
Fresnelovy čočky 1 a 2
12
LCD panel
13
Odrazové optické zrcadlo
14
Objektiv
15
Ozubený řemínek
16
Krokový elektromotorek
17
Panel s ovládacími tlačítky
18
Podpůrná elektronika výbojky a spínaný zdroj
19
Panel pro připojení síťového a záložního napájení
20
Elektronika LCD panelu
21
Panel pro připojení PC
22
Řídící elektronický obvod projektoru
Příloha 10
CD S ELEKTRONICKOU VERZÍ DOKUMENTACE
DIY PROJEKTORU Z LCD PANELU
1/1