Å pulse en LED er kanskje ikke så vanskelig, tenker du ?

Det tenkte jeg også, da jeg hoppet på elektronikk-/firmwarebiten på et kunstprosjekt før sommeren. De første man gjør, når man skal begynne å leke med mikrokontrollere er å handle en AVR-chip, eller en Arduino. Det andre man gjør, er å handle en lysdiode. Det tredje man gjør, er å koble ting sammen og sakse eksempelkode fra internett (slik ak man kan skryte på seg “virk”). Lysdioden blinker og man kan liste opp både “firmware” og “mikrokontrollere” på skill-lista si på LinkedIn.

La oss gjør det litt mer utfordrende, ved å innføre noe krav:

1. Strømkilde.

Dette skal inn i et sett av frittstående skulpturer. Elektronikken er innkapslet i kobber, med unntak av to små glassvindu, som har en diameter på 18mm. Ingen ledninger kan gå til skulpturen. Eksternt powersupply er ikke et alternativ. Induksjonslading er ikke et alternativ. Vi må bruke batterier, som enkelt kan tas ut for å lades.

Siden intensjonen er at dette skal stå på en utstilling, så må vi også ha maksimal batterilevetid. Siden vi skal bruke hvite dioder, så trenger vi 3-3.2V. En gjennomsnittlig lysdiode trekker kanskje 20mA. Batterier, elektronikk, mekanikk og batteriklemmer må passe i en sylinder som er 11 cm lang og har en intern diameter på 16mm. Vi kunne benyttet to enkle AA-celler, men dette har vi ikke plass til. Vi kunne valgt NiMH-batterier med liten formfaktor, men det hadde krevet en egen ladekrets. Li-Ion er et nærliggende alternativ, siden man får 3.7V-celler i liten nok diameter og med kort nok lengde. Disse finnes det også standardladere for. De har også en ganske flat spenningskurve. Fulladet har cellen en spenning på 4.2V og når spenningen begynner å synke under 2,5-3V under last, så er batteriet praktisk talt tomt. (Vi kunne benyttet et tradisjonelt AA-batteri, sammen med en buck/boost-converter for å booste spenninga fra 1,5 til en stabil spenning på 3V, men denne vil også dra strøm, samt at vi vil trenge ytterligere komponenter for å kunne slå den av og på.)

Vi har nå adressert batterikravet, men vi har innført et nytt krav, som bestiller ikke er klar over. Hvis vi lader batteriet helt ut, så vil vi ødelegge det, slik at det i beste fall ikke lar seg lade opp igjen, eller i verste fall, blir utrygt å bruke. Vi må monitorere batterispenninga, og så la kretsen gå i dvale når spenninga blir for lav. Vi må også ta høyde for at kretsen vil dra noe strøm i dvaletilstand, og at batteriene ikke nødvendigvis vil lades umiddelbart.

2. Uttrykk.

En LED har ganske smal vinkel, og i dette tilfellet, så må lysdioden stå svært nære glassvinduet, og vil se ut som en punktkilde hvis vi ikke gjør noe. Ønsket er at vi skal ha en homogen, men pulserende lysflate. For å få til dette, så må vi lage en diffuser, som bygger enda litt mer i lengderetningen.

Vi kontrollerer lysene med PWM, men en lineær endring i duty cycle resulterer ikke nødvendigvis i en subjektivt lineær effekt. Øyet har i likhet med øret ikke en lineær respons.

3. Betjening

Lysene skal være lett å slå av og på, men vi kan ikke ha en ekstern / dedikert bryter for å få til dette. Assemblyet, som skal inn i skulpturen må bygges slik at man ved å vri på et element i skulpturen kan slå lyset av og på. Dette stiller krav til den mekaniske utformingen.

4. Testing

(Nobrainer, right… ?)

Siden dette faktisk skal virke over tid, så må strømforbruket under last faktisk måles. Kalkulator er vel og bra, men det slår ikke et amperemeter. At kretsen faktisk går i dvale når batterispenninga går under definert terskelverdi er også kritisk. Det må m.a.o. testes.

5. Dokumentasjon

Det er ikke gitt at den jevne gallerist er overvettes bekymret for slikt som f.eks. batteripolaritet, eller det faktum  at det ikke var plass til noen form for beskyttelse mot å sette inn batteriet feil vei. Det skader aldri å levere fra seg et par linjer med tekst, samt bilde av korrekt innføring av batteri, samt bilder av punkter på skulpturene, som man må vri på for å slå effektene av og på.

Jeg endte opp med et design, som minner ganske mye om det man kan forvente å finne inni en lommelykt. For å spare kabling, så bruker jeg godset som jord. Dette er iofs en nobrainer i andre sammenhenger, men man ender veldig raskt opp med alt for mye kabling for “-” hvis man ikke tenker seg om :)

Firmware er i praksis looping gjennom en generert tabell med verdier for duty cycle. Denne tabellen kan tolkes som samples fra en kurve. Den monitorerer også VCC og sammenligner med den interne 1.1V spenningsreferansen, slik at den kan slå seg helt av hvis batterispenninga synker til et nivå, der den må lades. Jeg brukte high brightness leds, som skulle tilsi et strømforbruk på 40mA. Ved å kontrollere dette via PWM, så fikk vi ønsket effekt gjennom diffuseren med et strømforbruk på 7-8mA. I hibernate-modus, så drar kontrolleren 0,95mA.

Med en batterikapasitet på 1600mAh, så tilsier dette en levetid på 200 timer. Siden skulpturene kun skal være aktive i 6-8 timer om dagen, så kan man forvente at de maksimalt kan kjøres i 25 dager før de trenger å lades. Det hører iofs med til historien at disse batteriene eer kjøpt i Kina, så vi utelukker ikke overraskelser. Hvilket leder oss til neste punkt, som er:

5. Redundans

Trust no one. Spesielt ikke leverandører fra Kina. Ting går ikke alltids som planlagt ihht spek. Vi har derfor bunkret opp med ekstra av det det meste som kan ryke. D.v.s. batterier – i fall kvalitetskontrolløren mot formodning skulle ha sett en annen vei, når noen plukket akkurat dette batteriet av samlebåndet. Noen ekstra mikrokontrollere er også programmert  – i fall noen ikke skulle klare å holde blårøyken sin inne i DIP-kapselen.

Bildet over viser 3 moduler før de wrappes i kapton. Hver modul, skal også ha en slavemodul (ref kablingen som går ut av dem).

Skulpturene kan jeg nesten ikke vise bilder av enda, siden de a) ikke er mine, og b) skal inn til juryering snart. Jeg lover å komme tilbake med en oppdatering når jeg får offisielle bilder som jeg kan bruke.