Programmable Christmas Tree Brings (blue) light into the darkness

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1 separately. Programmable Christmas Tree Brings (blue) light into the darkness Text: Harry Baggen (Elektor Netjerlands) Design: Eurocircuits The dark days before Christmas are approaching rapidly. So it has become that time again that we as electronics engineers provide some more unusual mood lighting for the home. Naturally we will assist you again this year, in the form of a nice Christmas tree which conjures up all sorts of beautiful patterns on its 6 LEDs. Special Christmas offer The completely assembled Christmas tree is temporarily available from the Elektor store for $40.00 / 9.50 plus shipping. A wall adapter and USB cable are available 8 December 04

2 Programmable Christmas Tree Electronics hobbyists are always keen to make a festive gadget for the celebrations around this time of the year. Not something read-built from a garden center or home improvement store, but a circuit which has something special and that you can t just buy anywhere. Over the years Elektor have published numerous Christmas circuits, the majority of them projects that contain a number of LEDs which provide the ambiance. This year, in conjunction with the printed circuit board manufacturer Eurocircuits, we have designed a very nice circuit for you, which you can build yourself of course if you have the time and inclination, but we also offer this Christmas tree ready-built in the Elektor web store for an attractive price. You can always tell your visitors that you soldered the teeny-weeny SMD components in the little tree yourself with the aid of a microscope and a very small soldering iron during the annual Christmas function at your work... The little Christmas tree that you see here is provided with no less than 6 bright blue LEDs on the front that, with their color alone, will already generate a pleasant Christmas atmosphere. The control electronics is on the back, mainly comprising a powerful microcontroller. True, we have had other flashing Christmas trees in our magazine before, but this particular specimen has an extensive light show built in, which causes all kinds of patterns or texts to run across the LEDs. A number of patterns have already been pre-programmed, but a great feature is that you can very easily design your own patterns and effects using your PC and then simply store them in the memory of the Christmas tree via the USB connection. Powerful microcontroller An ARM Cortex-M0 microcontroller from STM has been used for controlling the LEDs (see the schematic in Figure ). This relatively cheap 3-bit C6 C7 C8 C9 USB D D+ ID SW R8 3 4 TP3 5 TP TP4 TP SWDIO SWCLK RST 44 VBAT BOOT0 PORT-A A A PORT-B 36 PF7 PC3 3 PC4 4 PC5 0 8 R9 P0 P0 9 R8 P IC P 0 R7 P P 3 39 R6 5 P3 P3 SS 4 40 R5 4 P4 P4 SCK 5 4 R4 3 P5 P5 MISO 6 4 R3 P6 P6 MOSI 7 43 R P7 P7 L R 0 P8 P8 L R0 P9 P9 L 3 R6 P0 P0 3 R5 P P 33 5 R4 P P 34 P3 6 R3 P R P4 P4 L 38 P5 8 R P5 STM3F04C6 R...R6 = 8R OSC_IN/PFO OSC_OUT/PF 7 35 RST PF6 L R7 Q LE LE LE LE LE LE LE LE LE L R8 Q LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 L3 R9 Q3 LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE L4 R0 Q4 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE LE0 LE6 LE LE8 LE 0 LE7 0 LE3 0 LE9 0 LE LE8 LE4 LE0 LE3 LE9 LE5 LE C 0u 6V3 C 0u 6V3 C3 IC3 L7S33TR C4 SCK MOSI R7 C5 R6 R5 8 IC W SCK HOLD 5 D_IN D_OUT 4 W5Q80BVSNIG MISO LE4 3 LE5 4 LE6 5 R LE0 3 LE 4 LE 5 R LE6 3 LE7 4 LE8 5 R3 LE 3 R Figure. The schematic for the Christmas tree mainly consists of a microcontroller and 6 blue LEDs. December 04 9

3 Projects Component List Resistors R R6 = 8 00Ω (SMD 0805) R7 R4 = 00Ω (SMD 0603) R5 R8 = Ω (SMD 0603) Capacitors C,C = 0µF 6.3V tantalum (SMD A) C3 C9 = F 0V ceramic (SMD 0603) Semiconductors LE LE = LED blue (SMD 06) Q Q4 = (SOT3) IC = STM3F04C6 (LQFP48) IC = W5Q80BVSNIG (SO8) IC3 = L7S33TR (SOT3) Miscellaneous USB = micro USB connector, PCB mount ( ) SW = pushbutton, PCB mount (TACTB-64K-F) PCB (files only) # microcontroller offers, besides much computing power, an integrated USB.0 interface. This allows for a very easy connection of the microcontroller to a PC. Thanks to the built-in bootloader it is very straightforward to download new LED-patterns or new firmware. In order to provide the user which a generous amount of space for patterns or animations of their own design, a serial flash memory with a capacity of MB (8x Mbit) is connected to the microcontroller. This may appear small compared to the typical size of memory sticks and memory cards these days, but nevertheless provides sufficient space to store more than 90,000 complete LED patterns. The LEDs are driven in a 4x6 matrix (not entirely, 3x6 + x4). Therefore 6 (4) LEDs are driven alternately by port pins P0 through P5 of the controller. The four columns are continually multiplexed. Because of the persistence of vision of the human eye, this fast switching is not noticed and it appears that all the LEDs are on continuously. The LED columns are switched by four P-channel MOSFETs of the type. The cathodes of the LEDs are connected via current-limiting resistors (R through R6) directly to the port output pins of the microcontroller. This saves a large number of components, but we do have to take into account that the maximum LE LED LE LE LE LE LE LE LE LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 Figure. The circuit board is doublesided and screened on the front with a so-called PCB-Pixture solder mask [] depicting snowflakes. (60% of real size) LE LE 30 December 04

4 Programmable Christmas Tree total current that the microcontroller can handle is only 80 ma, which therefore means a maximum current of 5 ma per LED. If we use LEDs with sufficient efficiency then they will still be very visible in a reasonably bright environment. The entire circuit is powered from the micro-usb connection. A 3.3-V regulator (IC3) provides a regulated power supply voltage for the microcontroller and the LED matrix. Figure shows the printed circuit board design for the little tree. The LEDs are on the front, the remaining components including the micro-usb connector are on the back. For this occasion the circuit board is screened with a PCB-Pixture solder mask [] depicting snowflakes. For those of you who are keen to etch the circuit board yourself and populate it with components we feel obliged to warn you that some of these SMD components are difficult to solder by hand! The source- and hex code files are available from the Elektor website []. The ARM software is written in C using the Keil compiler. The largest part of the code is related to the USB communications and this is based on the ST firmware library. The bootloader mode will be activated when the pushbutton on the back is pressed while the tree is connected to a PC. It is then possible to download or update the firmware with the aid of the ST software DfuSe [3]. Program your own animations and win! Eurocircuits have organized a programming competition around this little Christmas tree. Put your own animation on the web page for the Christmas tree [4] and make sure that as many people is possible like your animation. For those with the most likes there are several nice prizes to be won! The closing date for this competition is January 7, 05 winners will be notified personally. You can make multiple of these animations and thread these together into one long light show. Once that is done you can download the entire sequence to the Christmas tree. The tree is connected to a PC using a micro- USB cable. When you do that for the first time Windows will install a driver. Windows recognizes the little tree as a HID peripheral. After that you can flash the new animation to the tree from the web page. For use in the living room you can connect the tree to a 5-V wall adapter which is fitted with a micro USB cable. Enjoy and many happy returns. (4037-I) Software By default, the ready-built Christmas tree from the Elektor shop is already provided with a wide range of animations. If you are happy with those then there is nothing more you need to do. If, however, you would like to create your own patterns, animations or running texts and whatever else you can come up with then we direct you to a special interactive web page that we have built for you where you can indulge yourself [4]. This page contains a picture of the Christmas tree with all its LEDs. You can make your own animations by using your mouse to click the LEDs on the screen on or off. This way you create a pattern, where you can also select the desired duration and brightness. All generated patterns appear at the bottom of the screen next to each other. There is also the possibility to enter a scrolling text (text symbol at top left). In this way you can build your own animations. You can store an animation for later use. Using the preview button you can view the animation on the screen. Web Links [] [] Figure 3. The components mounted on the back of the Christmas tree. [3] PF5796 [4] December 04 3

5 Speciale kerstaanbieding Programmeerbare kerstboom Brengt (blauw) licht in het donker Tekst: Harry Baggen (redactie NL) Ontwerp: Eurocircuits De donkere dagen voor Kerstmis komen snel dichterbij. Het wordt tijd dat we als elektronicus weer voor wat bijzondere sfeerverlichting zorgen in huis. Natuurlijk helpen we u daar ook dit jaar weer mee in de vorm van dit mooi kerstboompje dat op 6 LED s allerlei fraaie lichtpatronen tevoorschijn tovert. Het compleet opgebouwde kerstboompje is tijdelijk verkrijgbaar in de Elektor-shop voor een prijs van slechts 9,50 plus verzendkosten (netspanningsadapter of USB-kabel los verkrijgbaar). Zie: 6 december 04

6 Programmeerbare kerstboom Elektronici willen in deze tijd graag een feestelijk gadget voor de kerstdagen maken. Niet iets kanten-klaars van het tuincentrum of de bouwmarkt, maar een schakeling die iets speciaals heeft en die je niet overal kunt kopen. In de loop der jaren heeft Elektor tal van kerstschakelingen gepubliceerd, meestal allemaal projecten met een aantal LED s die voor een sfeerverlichting zorgden. Dit jaar hebben we samen met printfabrikant Eurocircuits een erg leuke schakeling voor u ontworpen, die u natuurlijk zelf kunt bouwen als u veel zin en tijd hebt, maar we bieden dit kerstboompje in de Elektor-webshop ook geheel opgebouwd aan voor een attractieve prijs. U kunt altijd tegen uw bezoek vertellen dat u die piepkleine SMD s op het boompje zelf hebt gesoldeerd met behulp van een microscoop en een heel kleine soldeerbout tijdens de jaarlijkse kerstborrel van uw bedrijf... Het kerstboompje dat u hier ziet, is aan de voorzijde voorzien van maar liefst 6 helderblauwe LED s die alleen al door hun kleur voor een goede kerstsfeer zorgen. Aan de achterzijde bevindt zich de aanstuurelektronica, hoofdzakelijk bestaande uit een krachtige microcontroller. Nu hebben we wel meer knipperende kerstboompjes in ons blad gehad, maar dit exemplaar heeft een uitgebreide lichtshow ingebouwd, waardoor allerlei patronen of teksten over de LED s lopen. Er is al een aantal patronen voorgeprogrammeerd, maar het mooiste is dat u eenvoudig zelf patronen en effecten kunt maken op de PC, die vervolgens heel simpel via een USB-verbinding in het geheugen van het kerstboompje kunnen worden geladen. Krachtige microcontroller Voor de aansturing van de LED s is een ARM Cortex-M0 microcontroller van STM genomen (zie schema van figuur ). Deze relatief goedkope 3-bits microcontroller biedt naast veel rekenkracht een geïntegreerde USB.0-interface. Daar- C6 C7 C8 C9 USB D D+ ID SW R8 3 4 TP3 5 TP TP4 TP SWDIO SWCLK RST 44 VBAT BOOT0 PORT-A A A PORT-B 36 PF7 PC3 3 PC4 4 PC5 0 8 R9 P0 P0 9 R8 P IC P 0 R7 P P 3 39 R6 5 P3 P3 SS 4 40 R5 4 P4 P4 SCK 5 4 R4 3 P5 P5 MISO 6 4 R3 P6 P6 MOSI 7 43 R P7 P7 L R 0 P8 P8 L R0 P9 P9 L 3 R6 P0 P0 3 R5 P P 33 5 R4 P P 34 P3 6 R3 P R P4 P4 L 38 P5 8 R P5 STM3F04C6 R...R6 = 8R OSC_IN/PFO OSC_OUT/PF 7 35 RST PF6 L R7 Q LE LE LE LE LE LE LE LE LE L R8 Q LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 L3 R9 Q3 LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE L4 R0 Q4 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE LE0 LE6 LE LE8 LE 0 LE7 0 LE3 0 LE9 0 LE LE8 LE4 LE0 LE3 LE9 LE5 LE C 0u 6V3 C 0u 6V3 C3 IC3 L7S33TR C4 SCK MOSI R7 C5 R6 R5 8 IC W SCK HOLD 5 D_IN D_OUT 4 W5Q80BVSNIG MISO LE4 3 LE5 4 LE6 5 R LE0 3 LE 4 LE 5 R LE6 3 LE7 4 LE8 5 R3 LE 3 R Figuur. Het schema van de kerstboom bestaat voornamelijk uit een microcontroller van STM en 6 blauwe LED s. december 04 7

7 Projects Onderdelenlijst Weerstanden: R..R6 = Ω (SMD 0805) R7..R4 = 00 Ω (SMD 0603) R5..R8 = 0 k (SMD 0603) Condensatoren: C,C = 0 µ/6,3 V tantaal (SMD A) C3..C9 = 00 n/0 V keramisch (SMD 0603) Halfgeleiders: LE..LE = LED blauw (SMD 06) Q..Q4 = (SOT3) IC = STM3F04C6 (LQFP48) IC = W5Q80BVSNIG (SO8) IC3 = L7S33TR (SOT3) Diversen: USB = micro-usb-connector voor printmontage ( ) SW = drukknop voor printmontage (TACTB-64K-F) Print-layout door kan de controller heel eenvoudig met een PC worden verbonden. Dankzij een ingebouwde bootloader kunnen nieuwe LED-patronen of nieuwe firmware gemakkelijk worden gedownload. Om de gebruiker veel plaats te bieden voor zelfgemaakte patronen of animaties is aan de microcontroller een serieel flash-geheugen gekoppeld met een capaciteit van MB (8x Mbit). Dit lijkt heel weinig in vergelijking met de huidige flashsticks en geheugenkaarten, maar dit geheugen biedt voldoende ruimte om meer dan volledige LED-patronen op te slaan. De LED s worden aangestuurd in een 4x6- matrix (niet helemaal, 3x6 + x4). Er wor- den dus beurtelings 6 (4) LED s aangestuurd door de poorten P0...P5 van de controller. De 4 kolommen worden continu gemultiplext. Door de traagheid van het menselijk oog wordt dit snelle omschakelen niet waargenomen en lijkt het alsof de LED s continu oplichten. De LEDkolommen worden geschakeld door 4 P-kanaals MOSFET s van het type. De kathodes van de LED s zijn via stroombegrenzingsweerstanden (R...R6) direct verbonden met de poortuitgangen van de microcontroller. Dat scheelt een hoop onderdelen, maar daarbij moeten we er wel rekening mee houden dat de controller in totaal maar 80 ma aan stroom kan verwerken, LE LED LE LE LE LE LE LE LE LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 Figuur. De print is dubbelzijdig en aan de voorzijde voorzien van een zogenaamd PCB- Pixture soldeermasker [] met ijskristallen. (60% van ware grootte) LE LE 8 december 04

8 Programmeerbare kerstboom dat betekent dus maximaal 5 ma per LED. Als we LED s met voldoende rendement gebruiken, dan zijn ze nog steeds goed zichtbaar bij gebruik in een redelijk heldere omgeving. De hele schakeling wordt gevoed vanuit de micro- USB-aansluiting. Een 3,3-V-regelaar (IC3) zorgt voor een gestabiliseerde spanning voor de microcontroller en de LED-matrix. In figuur is het printontwerp van het boompje te zien. De LED s zitten aan de voorzijde, de overige componenten inclusief de micro-usb-connector aan de achterzijde. De print is voor deze gelegenheid van een PCB-Pixture soldeermasker (zie []) met ijskristallen voorzien. Wie van plan is om de print zelf te etsen en van componenten te voorzien, moeten we toch wel waarschuwen dat sommige SMD s moeilijk met de hand te solderen zijn! De source- en hex-code van de firmware zijn beschikbaar op de Elektor-Magazine-website []. De ARM-software is in C geschreven met een Keilcompiler. Het grootste deel van de code betreft de USB-communicatie, deze is gebaseerd op de ST firmware library. Wanneer de drukknop aan de achterzijde wordt ingedrukt terwijl het boompje met de PC wordt verbonden, dan komt deze in de bootloadermodus. Dan kan men de firmware downloaden of updaten met behulp van de ST-software DfuSe [3]. Programmeer uw eigen animatie en win! Eurocircuits organiseert rond dit kerstboompje een programmeerwedstrijd. Plaats uw eigen animatie op de webpagina van het kerstboompje [4] en zorg ervoor dat zoveel mogelijk mensen uw animatie liken. Voor degenen met de meeste likes zijn verschillende fraaie prijzen te winnen! De sluitingstermijn van deze wedstrijd is op 7 januari 05, winnaars krijgen persoonlijk bericht. animatie op het scherm worden bekeken. U kunt meerdere van zulke animaties maken en deze aan elkaar rijgen tot één lange lichtshow. Als dat is gebeurd, kunt u de hele reeks downloaden naar het kerstboompje. Het boompje wordt met behulp van een micro- USB-kabel verbonden met de PC. Als u dat de eerste keer doet, zal Windows een apparaatstuurprogramma installeren. Windows herkent het boompje als een HID-apparaat. Daarna kunt u vanuit de webpagina voortaan nieuwe animaties in het boompje flashen. Voor gebruik in de huiskamer kunt u het boompje aansluiten op een 5-V-netadapter die voorzien is van een micro-usb-kabeltje. Veel plezier en sfeervolle kerstdagen. (4037) Software Standaard is de geheel opgebouwde kerstboom in de Elektor-shop al voorzien van een hele reeks animaties. Als u daar tevreden mee bent, dan hoeft u verder niets meer te doen. Wilt u echter zelf graag aan de slag gaan en uw eigen patronen, animaties, loopteksten en alles wat u verder kunt bedenken maken, dan hebben we daarvoor een speciale interactieve (Engelstalige) webpagina ingericht waarop u zich helemaal kunt uitleven [4]. Op deze pagina staat een afbeelding van de kerstboom met alle daarop aanwezige LED s. U kunt eigen animaties maken door met uw muis de LED s op het scherm aan of uit klikken. Op die wijze maakt u een patroon, waarbij u links de gewenste tijdsduur en de helderheid kunt instellen. Vervolgens maakt u het volgende patroon. Alle gemaakte patronen verschijnen onderin het scherm naast elkaar. Ook is er de mogelijkheid om een looptekst in te voeren (tekstsymbool linksboven). Zo stelt u zelf u eigen animatie samen. Deze animatie kunt u opslaan voor later gebruik. Met behulp van de Preview-knop kan de Weblinks [] [] Figuur 3. De gemonteerde onderdelen aan de achterzijde van het kerstboompje. [3] [4] december 04 9

9 sapin virtuel : il azure clarté bleutée à la veillée Harry Baggen (Elektor) en coopération avec Eurocircuits En octobre dernier, le prix Nobel de physique était attribué aux inventeurs de la LED bleue, ce composant aujourd hui banal, mais toujours en voie d amélioration après avoir tenu les chercheurs en échec pendant des décennies. Elektor fête l événement ici même avec un projet de circonstance : une silhouette d épicéa garnie de 6 LED avec lesquelles vous pouvez laisser libre cours à votre fantaisie pour en modifier les arabesques et les séquences lumineuses. Offre spéciale de Noël C magnifique sapin, complet, prêt à l emploi, est disponible temporairement dans l e-choppe au prix plancher (vernis) de 9,50 (frais de port en sus). L adaptateur secteur ou le câble USB sont disponibles séparément, voyez sur : 8 décembre 04

10 sapin virtuel Nos lecteurs les plus fidèles se souviennent sans doute de cette couverture d Elektor de mars 98 qui titrait : La LED bleue existe-t-elle? Cette question aujourd hui dérisoire a longtemps taraudé bien des scientifiques dans le monde entier avant de trouver une réponse au Japon. Quelques décennies plus tard, la LED d éclairage est littéralement partout. Elle est devenue le composant de ce début du XXIe siècle. Nous pensons que pour les fêtes de fin d année on peut faire mieux que les grandes surfaces de bricolage ou de jardinage et leurs gadgets tout faits : des sapins en plastique avec boules et guirlandes, pas toujours à LED d ailleurs. Avec le concours du fabricant de circuits imprimés Eurocircuits, nous avons élaboré une création originale que vous pouvez construire vous-même, s il vous en reste le temps. Vous pouvez aussi la commander, prête à l emploi et pour un bon prix, directement dans l e-choppe d Elektor. Et si par ailleurs on vous a déjà décerné le Nobel de l esbroufe, vous n hésiterez pas à bluffer vos visiteurs, autour d un petit verre, en leur racontant que c est sous microscope et avec un fer extrêmement fin que vous avez tout soudé vous-même Tout soudé, ici cela signifie 6 LED bleu clair... Plus l électronique de commande, centrée sur un puissant microcontrôleur, sur l autre face. Après avoir publié maints projets de sapins de Noël clignotants, en voici un qui offre un véritable spectacle lumineux avec des motifs extraordinairement variés ou des textes qui défilent en boucle. Certains sont programmés d origine en mémoire, mais ce qui est remarquable, c est la possibilité qui vous est offerte de créer vousmême, simplement, une animation ou des effets particuliers sur PC pour les charger ensuite dans la mémoire de l arbre par une classique liaison USB. C6 C7 C8 C9 USB D D+ ID SW R8 3 4 TP3 5 TP TP4 TP SWDIO SWCLK RST 44 VBAT BOOT0 PORT-A A A PORT-B 36 PF7 PC3 3 PC4 4 PC5 0 8 R9 P0 P0 9 R8 P IC P 0 R7 P P 3 39 R6 5 P3 P3 SS 4 40 R5 4 P4 P4 SCK 5 4 R4 3 P5 P5 MISO 6 4 R3 P6 P6 MOSI 7 43 R P7 P7 L R 0 P8 P8 L R0 P9 P9 L 3 R6 P0 P0 3 R5 P P 33 5 R4 P P 34 P3 6 R3 P R P4 P4 L 38 P5 8 R P5 STM3F04C6 R...R6 = 8R OSC_IN/PFO OSC_OUT/PF 7 35 RST PF6 L R7 Q LE LE LE LE LE LE LE LE LE L R8 Q LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 L3 R9 Q3 LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE L4 R0 Q4 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE LE0 LE6 LE LE8 LE 0 LE7 0 LE3 0 LE9 0 LE LE8 LE4 LE0 LE3 LE9 LE5 LE C 0u 6V3 C 0u 6V3 C3 IC3 L7S33TR C4 SCK MOSI R7 C5 R6 R5 8 IC W SCK HOLD 5 D_IN D_OUT 4 W5Q80BVSNIG MISO LE4 3 LE5 4 LE6 5 R LE0 3 LE 4 LE 5 R LE6 3 LE7 4 LE8 5 R3 LE 3 R Figure. Dans le schéma, peu de chose à voir d autre que le microcontrôleur de STM et les faisceaux de LED bleues, 6 en tout. décembre 04 9

11 projets Liste des composants Résistances : R à R6 = 8 à 00 Ω (CMS 0805) R7 à R4 = 00 Ω (CMS 0603) R5 à R8 = 0 kω (CMS 0603) Condensateurs : C, C = 0 µf/6,3 V tant. (CMS A) C3 à C9 = 00 nf/0 V cér. (CMS 0603) Semi-conducteurs : LE à LE = LED bleue (CMS 06) Q à Q4 = (SOT3) IC = STM3F04C6 (LQFP48) IC = W5Q80BVSNIG (SO8) IC3 = L7S33TR (SOT3) Divers : USB = connecteur micro USB encartable ( ) SW = bouton-poussoir encartable (TACTB-64K-F) dessin de circuit imprimé réf Puissant microcontrôleur Pour commander les LED, nous avons choisi un microcontrôleur ARM Cortex-MO de STM (fig. ), à 3 bits, relativement bon marché, qui assure. Il offre une grande puissance de calcul et dispose d une interface USB.0 pour s associer aisément au PC. Son chargeur d amorce embarqué permet de charger aisément un autre micrologiciel ou de nouveaux motifs de LED dans une mémoire flash série, couplée au microcontrôleur, d une capacité de Mo (8x Mbit). Habitué à la capacité gigantesque des clés USB actuelles et des cartes mémoire, on peut trouver ça étriqué : la capacité n en est pas moins de motifs de LED complets! Les LED sont groupées en matrice de 4x6 (enfin presque : 3x6 + x4). À tour de rôle, les lignes P0 à P5 du port B du contrôleur attaquent 6 (ou 4) LED. Les 4 colonnes sont continuellement pilotées en multiplex. La rémanence de l œil humain fait le reste : les LED paraissent éclairées en permanence. Les colonnes de LED sont commutées par quatre MOSFET à canal P du type. Les cathodes sont reliées par les résistances de limitation de courant R à R6, sans tampon, aux lignes de port du microcontrôleur. Malgré cela, il y a déjà une fameuse quantité de LE LED LE LE LE LE LE LE LE LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 Figure. Le circuit imprimé est à double face, la plus visible est décorée, saison oblige, d un masque de soudage PIXture [] à cristaux de glace. LE LE 30 décembre 04

12 sapin virtuel composants, reste à savoir si le contrôleur peut supporter la charge. Il est capable de fournir en tout 80 ma, ce qui limite le courant à 5 ma par LED. Les exemplaires à haut rendement restent bien visibles dans un environnement raisonnablement éclairé. Tout le circuit est alimenté à partir d une prise micro USB. Le régulateur de 3,3 V IC3 assure une tension stable au µc et à la matrice de LED. La figure montre le projet de circuit imprimé du sapin. Les LED sont en face avant, le reste des composants, y compris le connecteur micro USB, à l arrière. Pour la circonstance, le circuit imprimé est revêtu d un masque de soudage décoratif PCB PIXture [] à cristaux de glace. Si vous vous lancez dans la construction (gravure du circuit imprimé et implantation des composants), il faut savoir que certains CMS sont difficiles à souder à la main. Les codes source et hexadécimal du micrologiciel sont disponibles sur le site []. Le logiciel ARM est rédigé en C avec un compilateur Keil. La plus grande part du code est consacrée à la communication par USB, basée sur la bibliothèque de micrologiciel ST. Gagnez un prix avec votre animation! Eurocircuits organise un concours de programmation pour ce sapin. Postez votre propre animation sur la page du sapin [4] et arrangez-vous pour que le plus possible de personnes «aiment» votre programme. Pour ceux qui auront obtenu le plus grand nombre de «j aime», il y aura différents prix à gagner. La compétition sera clôturée le 7 janvier 05, les gagnants seront avertis personnellement. À vos sapins! Vous pouvez aussi composer ainsi différentes animations et les faire se succéder pour produire un spectacle lumineux. Il ne vous restera plus qu à télécharger la série complète sur le sapin. La liaison se fait par câble micro USB vers le PC. Lors de la première connexion, Windows reconnaît le sapin comme appareil HID et installe un pilote approprié. Ensuite, vous pourrez, depuis la page internet, flasher les nouvelles animations dans le sapin. Pour le mettre en service à la maison, branchez-le sur un adaptateur secteur de 5 V pourvu d un câble micro USB. Nous vous souhaitons de joyeuses illuminations. Quand le sapin est en liaison avec le PC, appuyer sur le bouton-poussoir à l arrière pour le mettre en mode d amorçage : il charge ou met à niveau le micrologiciel à l aide du logiciel DfuSe [3] de ST. (4037 version française : Robert Grignard) Logiciel D origine, le sapin prêt à l emploi tel qu il est vendu dans l e-choppe dispose d une gamme variée d animations. Si elles vous satisfont, il n y a rien d autre à faire. Sinon, créez vos propres motifs lumineux, animations, textes en boucle et autres fantaisies. Il y a pour cela une page spéciale [4] en ligne, pour vous exercer à d autres créations de façon interactive. À la souris, vous pouvez y sélectionner les LED pour réaliser vos propres animations. Vous obtiendrez des séquences d images, dans lesquelles vous pourrez régler, à gauche, la durée voulue et l intensité lumineuse, avant de passer au plan suivant. Toutes les images créées s inscrivent côte à côte au bas de l écran. Vous pouvez aussi rédiger un texte à faire passer en boucle, le symbole de texte est en haut, à gauche. Cet outil en ligne facilite la composition de vos nouvelles animations, que vous pourrez sauvegarder et modifier ultérieurement. À chaque étape, le bouton Preview permet de voir l animation à l écran. Liens [] [] Figure 3. Les autres composants sont installés sur la face arrière du sapin. [3] PF5796 [4] décembre 04 3

13 Programmierbare Edeltanne Bringt (blaues) Licht ins Dunkel Text: Harry Baggen (Redaktion NL) Entwurf: Eurocircuits Wenn der Herbst über das Land zieht und die Tage kürzer werden, ist Weihnachten nicht mehr weit. Jetzt ist es traditionell an der Zeit, dass wir überlegen, was das Fest elektronisch verschönern könnte. Diesmal ist es ein Weihnachtsbaum, an dem 6 blaue LEDs programmiert funkeln. Weihnachtsangebot! Der Elektor-Shop liefert den Weihnachtsbaum für eine begrenzte Zeit zum Preis von 9,50 + Versand zu Ihnen ins Haus. Ein Netzteil und ein Micro-USB- Kabel sind ebenfalls erhältlich. Näheres steht auf 36 Dezember 04

14 Weihnachtsbaum Mehr oder weniger stilvolle Weihnachtsdekorationen im Baumarkt kaufen, das kann schließlich jeder. Der kreative Elektor-Leser ist anspruchsvoll, er setzt auf Originalität und Individualität, und natürlich darf ein gehöriger Schuss Hightech nicht fehlen. Daraus ist im Lauf der Jahrzehnte eine Elektor-Tradition gewachsen, wir setzen sie in diesem Jahr mit ungebrochenem Enthusiasmus fort. Gemeinsam mit dem Platinenspezialisten Eurocircuits haben wir einen blau funkelnden Weihnachtsbaum kreiert, dem der Leser eine individuelle Note verleihen kann. Wer in diesen hektischen Tagen noch Zeit und Muße hat, kann natürlich selbst ans Werk gehen. Allen gestressten Zeitgenossen empfehlen wir, einen Blick in den Elektor-Shop zu werfen, der den Nadelbaum zu einem Weihnachtssonderpreis ins Haus liefert. Das ist sicher kein schlechter Rat, denn die winzigen SMDs lassen sich mit konventionellem Lötgerät nicht im Eiltempo auf dem Stamm des Baums montieren. Die Vorderseite der Blautanne zieren 6 hellblau leuchtende SMD-LEDs, das kühle Blau lässt die frostige Kühle weihnachtlicher Winternächte erahnen. Auf der Rückseite ist die steuernde Elektronik inklusive eines leistungsstarken Mikrocontrollers untergebracht. Wir haben zwar schon früher blinkende Weihnachtsdekorationen in Elektor präsentiert, doch in diesem Baum steckt eine Lightshow, die ungleich facettenreich ist. Über die LEDs laufen nicht nur Lichteffekte in programmierbarer Vielfalt, darüber hinaus können Texte und Laufschriften persönliche Botschaften transportieren. Ein Fundus attraktiver Formen und Muster ist bereits implementiert. Neue Kreationen können Lightshow-Künstler am PC-Bildschirm entwerfen und über ein simples USB-Kabel in den Tannenbaum laden. Der Phantasie sind keine Grenzen gesetzt. C6 C7 C8 C9 USB D D+ ID SW R8 3 4 TP3 5 TP TP4 TP SWDIO SWCLK RST 44 VBAT BOOT0 PORT-A A A PORT-B 36 PF7 PC3 3 PC4 4 PC5 0 8 R9 P0 P0 9 R8 P IC P 0 R7 P P 3 39 R6 5 P3 P3 SS 4 40 R5 4 P4 P4 SCK 5 4 R4 3 P5 P5 MISO 6 4 R3 P6 P6 MOSI 7 43 R P7 P7 L R 0 P8 P8 L R0 P9 P9 L 3 R6 P0 P0 3 R5 P P 33 5 R4 P P 34 P3 6 R3 P R P4 P4 L 38 P5 8 R P5 STM3F04C6 R...R6 = 8R OSC_IN/PFO OSC_OUT/PF 7 35 RST PF6 L R7 Q LE LE LE LE LE LE LE LE LE L R8 Q LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 L3 R9 Q3 LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE L4 R0 Q4 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE LE0 LE6 LE LE8 LE 0 LE7 0 LE3 0 LE9 0 LE LE8 LE4 LE0 LE3 LE9 LE5 LE C 0u 6V3 C 0u 6V3 C3 IC3 L7S33TR C4 SCK MOSI R7 C5 R6 R5 8 IC W SCK HOLD 5 D_IN D_OUT 4 W5Q80BVSNIG MISO LE4 3 LE5 4 LE6 5 R LE0 3 LE 4 LE 5 R LE6 3 LE7 4 LE8 5 R3 LE 3 R Bild. Zu den Zutaten unserer Edeltanne gehören 6 blaue SMD-LEDs und ein 3-bit- Mikrocontroller von STM. Dezember 04 37

15 Projects Stückliste Widerstände: R..R6 = Ω (SMD 0805) R7..R4 = 00 Ω (SMD 0603) R5..R8 = 0 k (SMD 0603) Kondensatoren: C,C = 0 µ/6,3 V Tantal (SMD A) C3..C9 = 00 n/0 V keramisch (SMD 0603) Halbleiter: LE..LE = LED blau (SMD 06) Q..Q4 = (SOT3) IC = STM3F04C6 (LQFP48) IC = W5Q80BVSNIG (SO8) IC3 = L7S33TR (SOT3) Außerdem: USB = USB-Micro-Buchse für Platinenmontage ( ) SW = Drucktaster für Platinenmontage (TACTB-64K-F) Platinenlayout Rechenstark Das Kernstück unseres Tannenschmucks ist ein Mikrocontroller ARM Cortex-M0 von STM, Bild zeigt den Plan der Hardware. Dieser preisgünstige 3-bit-Mikrocontroller bietet außer hoher Rechenleistung eine USB-.0-Schnittstelle auf dem Chip, so dass er unkompliziert mit einem PC verbunden werden kann. Über den integrierten Bootlader lassen sich die kreierten Leuchtmuster und Animationen fast mühelos in den seriellen Flash-Speicher laden. Der Speicher ist MB groß (8 Mbit), was verglichen mit gängigen USB- Sticks und Speicherkarten recht wenig erscheinen mag. Der Platz reicht jedoch vollkommen, um mehr als Leuchtmuster dauerhaft aufzubewahren. Die LEDs sind in einer Matrix 4 6 angeordnet, Matrixpunkte sind mit LEDs beschaltet. Der Mikrocontroller steuert über die Portleitungen P0...P6 vier LED-Gruppen, die aus 6 (oder 4) LEDs bestehen. Die vier LED-Gruppen werden im Multiplex-Betrieb fortlaufend durchgeschaltet. Wegen der Trägheit des Auges ist das Umschalten nicht sichtbar, es scheint, als ob die LEDs kontinuierlich leuchten. Das schnelle Schalten übernehmen vier SMD-p- Kanal-MOSFETs. Die Widerstände R... R6 begrenzen die LED-Ströme, sie sind unmit- LE LED LE LE LE LE LE LE LE LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 LE LE LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE0 Bild. Auf der Frontseite der doppelseitigen Platine ist eine so genannte PCB- Pixture-Lötmaske mit Eiskristallen aufgetragen. (60% der tatsächlichen Größe) LE LE 38 Dezember 04

16 Weihnachtsbaum telbar mit den Port-Ausgängen des Mikrocontrollers verbunden. Durch den Verzicht auf zwischengeschaltete Treiber werden Bauelemente eingespart, andererseits ist der Mikrocontroller nur mit einem Gesamtstrom von 80 ma belastbar. Der Strom jeder einzelnen LED darf folglich 5 ma nicht übersteigen. LEDs mit hohem Wirkungsgrad leuchten auch bei diesem Strom noch genügend hell, um deutlich wahrnehmbar zu sein. Die Weihnachtsbaum-Steuerung wird über die Micro-USB-Buchse mit Strom versorgt. Spannungsregler IC3 stellt die stabilisierte Betriebsspannung 3,3 V für den Mikrocontroller und die LED-Matrix bereit. Dass die Platine unserer Weihnachts-Edeltanne stilecht aussieht, belegt das Layout in Bild. Die LEDs befinden sich auf der Vorderseite, die Steuerung mit dem Mikrocontroller ist auf der Rückseite versteckt. Diese Platine ist eine Sonderausführung, sie ist mit einer PCB-Pixture-Lötmaske mit Eiskristallen versehen worden (siehe []). Die Leser, die sich das Anfertigen und Bestücken der Platine in eigener Regie zutrauen, müssen wir vorsorglich warnen. Einige SMDs lassen sich nur mit viel Ausdauer und einer Portion Glück erfolgreich montieren. Der Quell- und Hexcode der Firmware ist auf der Projektseite [] zum freien Download verfügbar. Wir haben das Programm in C geschrieben und mit einem Compiler von Keil in den Hexcode überführt. Der größte Teil gehört zur Kommunikation über die USB-Schnittstelle, er basiert auf der ST Firmware Library. Wird der Drucktaster auf der Rückseite beim Verbinden mit dem PC gedrückt gehalten, wechselt der Mikrocontroller in den Bootloader-Modus. In diesem Modus kann mit dem Tool DfuSe von ST [3] die Firmware geladen oder aktualisiert werden. Gestalten und gewinnen! Eurocircuits hat einen Wettbewerb um die beliebteste Programmierung des Weihnachtsbaums ausgeschrieben. Setzen Sie Ihre Kreation auf die Webseite des Baums [4] und veranlassen Sie möglichst viele Besucher, das Votum I like it anzuklicken. Sie können einen attraktiven Preis gewinnen! Der Wettbewerb läuft bis zum , die Gewinner werden persönlich benachrichtigt. Ihrer Lightshow. Klicken Sie auf das Textsymbol, wenn Sie eine Laufschrift generieren wollen. Ihre Animation können Sie für eine spätere Verwendung speichern. Wenn Sie auf den Preview-Button klicken, können Sie die Animation vorab auf Ihrem Bildschirm betrachten. Einzelne Animationen lassen sich zu ausgedehnten Lightshows verknüpfen. Sobald das Werk vollendet ist, können Sie es als Ganzes in Ihren Weihnachtsbaum herunterladen. Den Baum verbinden Sie über ein Micro-USB-Kabel mit Ihrem PC. Beim ersten Mal installiert Windows einen Treiber, Windows betrachtet den Baum als so genanntes HID-Device. Von jetzt an können Sie Ihre Kreationen unmittelbar von der Webseite in Ihren Baum übertragen. Damit die Lightshow auch ohne PC stattfinden kann, verbinden Sie ihn über die Micro-USB- Buchse mit einem 5-V-Steckernetzteil, das mit einem Micro-USB-Stecker ausgestattet ist. Wir wünschen Ihnen kreative Festtage! (4037)gd Kreativ Im Weihnachtsbaum, wie ihn der Elektor-Shop liefert, sind bereits attraktive Animationen eingebaut. Wenn Sie nach mehr streben und als Lightshow-Künstler gestalterisch tätig sein möchten, ebnen wir Ihnen den Weg: Wir haben eine interaktive englischsprachige Webseite eingerichtet [4], auf der unser Baum mit den LEDs erscheint. Ihre Animationen erzeugen Sie, indem Sie die virtuellen LEDs mit der Maus einschalten oder ausschalten. Wenn das LED-Muster vollendet ist, können Sie die Dauer des Aufleuchtens und die Helligkeit wählen. Die entstandenen LED-Muster werden unten im Bild aufgereiht. Nach diesem simplen Verfahren generieren Sie alle Bausteine Weblinks Bild 3. Die Steuerung mit dem Mikrocontroller verbirgt sich auf der Rückseite. [] [] [3] [4] Dezember 04 39

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